(57)【要約】【課題】高トルク化を図りつつトルク脈動を低減する同期電動機及び同期電動機駆動システムを提供する。【解決手段】本同期電動機は、回転子２と固定子３とを備え、隣接する固定子ティース７（７ａ、７ａｂなど）に挟まれた固定子ヨーク部分にＵ相巻線９１（９１ａ、９１ｂなど）、Ｖ相巻線９２（９２ａｂなど）、Ｗ相巻線９３（９３ａｃなど）が巻回され、各巻線は、各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、回転子２の回転において磁極間（１０、１１、１１など）が固定子ティースを通過するタイミングとの磁極の配置間隔と固定子ティースの配置間隔との相違に起因するタイミングずれを補償する巻数及び向きで巻回されている。
2011016235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、
前記複数の固定子ティースは、周方向に並ぶ所定個数単位で固定子ティース組を構成し、当該構成された複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、
各固定子ティース組において、固定子ティース組に含まれる所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、
前記所定個数の固定子ティースそれぞれに対応づけて、当該固定子ティースと、隣接する両固定子ティースに挟まれた両固定子ヨーク部分の少なくとも一方にひとつの相の巻線を構成するメイン巻線が巻回されており、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつについては、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれるメイン巻線に直列に結線されて前記相とは異なる相の巻線を構成するサブ巻線が前記固定子ヨーク部分にさらに巻回されており、
前記全ての巻線それぞれに三相交流電流のいずれかが加えられることにより各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとの磁極の配置間隔と固定子ティースの配置間隔との相違に起因するタイミングずれを補償する巻数及び向きで巻回されている
ことを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
前記固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組は、当該固定子ティース組に隣接する固定子ティース組であること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項３】
各固定子ティース組において、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくとも二つには、これらに対応づけてサブ巻線が巻回されており、
前記ひとつの相の巻線は、固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するメイン巻線全てと、当該固定子ティース組からみて電気角で進んだ位置にある固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するサブ巻線と、前記固定子ティース組からみて電気角で遅れた位置にある固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するサブ巻線とを直列に結線して構成されていること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項４】
各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの第１の固定子ティースに対応づけてメイン巻線のみが巻回され、これに隣接する第２の固定子ティースに対応づけてメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
前記第１の固定子ティースと前記回転子の磁極とが所定の位置関係になったときに当該第１の固定子ティースから生じる磁界が最大となり、前記回転子が回転して前記第２の固定子ティースと前記回転子の磁極とが前記所定の位置関係と同一の位置関係になったときに当該第２の固定子ティースから生じる磁界が最大となるように、前記第２の固定子ティースに対応づけて巻回されているメイン巻線およびサブ巻線の巻線比率が定められていること
を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項５】
各固定子ティース組において、前記第１の固定子ティースに生じる磁界の最大値と前記第２の固定子ティースに生じる磁界の最大値とが同じになるように、前記第１の固定子ティースに対応づけられているメイン巻線および前記第２の固定子ティースに対応づけられているメイン巻線及びサブ巻線のそれぞれの巻数が定められていること
を特徴とする請求項４に記載の同期電動機。
【請求項６】
磁極の数をＡ（但し、Ａは２以上の偶数）、固定子ティースの数をＢ（但し、ＢはＡと等しくない３の倍数）とし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐとなり、
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを定義し、
同相の巻線が、隣接する６個の固定子ヨーク部分それぞれに１個づつ巻回され、前記６個の巻線が直列に接続されており、その巻線の巻数の比率を順に＋Ｎ１、−Ｎ２、＋Ｎ３、−Ｎ３、＋Ｎ２、−Ｎ１としたとき（但し、＋Ｎｎ（ｎは１、２、３のいずれか）と、−Ｎｎとは、巻数が同じで巻回する向きが逆である）、
Ｎ１は、ｓｉｎ（α）にほぼ等しく、
Ｎ２は、ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（π／３−α）にほぼ等しく、
Ｎ３は、ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）にほぼ等しいこと
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項７】
前記回転子は、前記固定子を中心にその外周を回転し、
前記複数の固定子ティースは、前記固定子ヨークの外周面から径方向外側に放射状に突出しており、
前記固定子ヨークからは、さらに、各固定子ティースが突出する径方向の内側に向けて、前記外側に突出する固定子ティースと同数の固定子ティースが前記固定子ヨーク内周面から突出しており、
前記同期電動機は、さらに、前記固定子の内周を回転する回転子を備える
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項８】
前記複数の固定子ティースのうち少なくとも１つは、前記回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子ティースの配置間隔だけずれていくスキュー配置が施されていること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項９】
前記同期電動機は永久磁石埋め込み型であること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項１０】
前記複数の固定子ヨーク部分は、３相のうちの１相の巻線を一芯状に集中巻された第１の固定子ヨーク部分と、３相のうちの２相の巻線を一芯状に集中巻された第２の固定子ヨーク部分とを含み、
第１の固定子ヨーク部分に隣接した第２の固定子ヨーク部分に巻回された複数の巻線のうちいずれか１つの巻線の相は、隣接する第１の固定子ヨーク部分の巻線と同じ相の巻線であること
を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項１１】
磁極の数をＡ、固定子ティースの数をＢとし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティース数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを用いて、
３相のうちいずれか１相の巻線又は３相のうちの２相の巻線を固定子ヨーク部分に一芯状に集中巻し、第１の固定子ヨーク部分の巻線の巻数をＮ１としたとき、第１の固定子ヨーク部分と隣接した第２の固定子ヨーク部分の巻線は、第１の相の巻線の巻数が、
（Ｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）にほぼ等しく、
他の相の巻線の巻数が、
（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）にほぼ等しいこと
を特徴とした請求項１０に記載の同期電動機。
【請求項１２】
第１の固定子ヨーク部分の巻線の巻数と、第２の固定子ヨーク部分における２種類の巻線の巻数の和とが等しいこと
を特徴とする請求項１０記載の同期電動機。
【請求項１３】
磁極の数をＡ、固定子ティースの数をＢとし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを用いて、
３相のうちいずれか２相の巻線を固定子ヨーク部分に一芯状に集中巻し、第１の相の巻線と第２の相の巻線の巻数比率が、
ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）とｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）との比にほぼ等しくなること
を特徴とした請求項１記載の同期電動機。
【請求項１４】
同期電動機とその駆動装置により構成される同期電動機駆動システムであって、
前記同期電動機は、
周方向に等間隔に配設された複数の磁極を含む回転子と、
環状の固定子ヨークから前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが突出し、当該固定子ティースと、隣接する両固定子ティースに挟まれた両固定子ヨーク部分に当該固定子ティースに対応する固定子巻線が分けて巻回された固定子とを備え、
前記複数の固定子巻線は、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは２以上の整数）固定子巻線組を構成し、このように構成された複数の固定子巻線組は周方向に等間隔に並んでおり、
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されており、
前記駆動装置は、
前記複数の固定子巻線に電流を供給するにあたり、各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、それぞれが個別に接続された外部端子を通じて、各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとの磁極の配置間隔と固定子ティースの配置間隔との相違に起因するタイミングずれを補償する互いに異なる位相の電流を供給すること
を特徴とする同期電動機駆動システム。
【請求項１５】
前記複数の固定子巻線組は、隣り合う固定子巻線組の間隔が電気角で２π／３ラジアンに相当する間隔となるように並んでおり、
前記駆動装置は、
任意の固定子巻線組に含まれる任意の固定子巻線と、前記任意の固定子巻線組に隣り合う固定子巻線組に含まれる前記任意の固定子巻線に対応する固定子巻線とに、互いに２π／３ラジアンだけ異なる位相の電流を供給すること
を特徴とする請求項１４記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１６】
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線は、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには互いに逆極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、±２π／３ｍラジアンの範囲内で互いに位相が異なる電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１７】
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線は、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには同極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、π±２π／３ｍラジアンの範囲内で互いに位相が異なる電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１８】
各固定子巻線組は、第１、第２および第３の固定子巻線から構成され、
前記第１の固定子巻線は、前記第２の固定子巻線からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも進んだ位置に配され、
前記第３の固定子巻線は、前記第２の固定子巻線からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも遅れた位置に配されており、
前記第１、第２および第３の固定子巻線は、それぞれ独立した個別の外部端子に接続され、かつ、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには隣り合う固定子巻線が互いに逆極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記第１の固定子巻線に前記第２の固定子巻線に供給する電流よりも位相が遅れた電流を供給し、前記第３の固定子巻線に前記第２の固定子巻線に供給する電流よりも位相が進んだ電流を供給すること
を特徴とする請求項１４記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１９】
前記第１の固定子巻線が配された位置は、前記第２の固定子巻線が配された位置からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも最大でπ／３ｍラジアンだけ進んでおり、
前記第３の固定子巻線が配された位置は、前記第２の固定子巻線が配された位置からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも最大でπ／３ｍラジアンだけ遅れており、
前記第１の固定子巻線に供給される電流の位相は、前記第２の固定子巻線に供給される電流の位相よりも最大でπ／３ｍラジアンだけ遅れており、
前記第３の固定子巻線に供給される電流の位相は、前記第２の固定子巻線に供給される電流の位相よりも最大でπ／３ｍラジアンだけ進んでいること
を特徴とする請求項１８記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２０】
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で等間隔に並んでいること
を特徴とする請求項１４記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２１】
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続されていること
を特徴とする請求項１４記載の同期電動機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機の巻線構成に関し、特に、トルク性能を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に用いられる同期電動機には、小型軽量、高出力、低振動、低騒音、高効率の要請から、特に高トルクかつ低トルク脈動であることが求められる。【０００３】
永久磁石を回転子鉄心の表面に配置した、いわゆる表面磁石型同期電動機の場合、永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が９０°であるとき、すなわち、回転子の磁極間と、固定子巻線が巻回された固定子ティースとが対向した位置関係でその固定子巻線に供給される電流が最大になるとき、永久磁石によるトルク（マグネットトルク）が最大となる。永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が９０°からずれるとトルクは減少する。【０００４】
また、永久磁石を鉄心の内部に配置した、いわゆる永久磁石埋込み型同期電動機の場合、永久磁石によるマグネットトルクに加え、回転子と固定子の位置による磁気抵抗の差による突極性に基づくリラクタンストルクが発生する。リラクタンストルクは、永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が４５°近傍であるときに最大となる。従って、永久磁石埋込み型同期電動機のトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとを合わせたトルクとなり、界磁と電機子電流との位相差０°から４５°近傍で最大トルクとなる。【０００５】
一般に同期電動機のトルクは、永久磁石による界磁の高調波成分の影響や、電機子電流の高調波成分の影響等に基づく脈動成分をもつ。そこでトルク脈動を低減するために、同じ位相の電流が流れる固定子巻線の配置間隔（角度）を回転子の磁極間隔（角度）から機械的にずらす技術がある。このようにすると、互いの固定子巻線に生じるトルク脈動の位相がずれ、トルク脈動を打消すことができ、その結果、低振動、低騒音を実現することができる。低振動、低騒音の実現に関して下記の技術が開示されている。【０００６】
特許文献１は、環状のヨーク部の内側ティース部と、外側ティース部に、トロイダル巻きを施した複数のコイル部と、前記内側ティース部に対応する内側ロータと、前記外側ティース部に対応する外側ロータとを備えて構成された電動機であって、外側ロータと内側ロータの極の変わり目を任意の角度にずらして取り付けていることで低振動な電動機を開示している。【０００７】
また、特許文献２は、外側ロータ部の磁気突極部と内側ロータ部の磁気突極部とを周方向同位置とし、内周側スロット部と外周側スロット部とを周方向同位置とすることにより、固定子の外周側ティースと内周側ティースとに働く磁気突極部との間の電磁力の径方向成分は相殺されるため、その周期変動による振動が減ることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２０９１９９号公報
【特許文献２】特開２００１−２６８８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の通り、回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で配置された固定子ティースに、それぞれ固定子巻線を巻回し、これらの固定子巻線に同じ位相の電流を供給することとした場合、各固定子ティースから生じるトルク脈動の位相をずらすことができ、その結果、全体としてのトルク脈動を低減することができる。【００１０】
しかしながら、上記構成では、ある固定子ティースが回転子の磁極との関係で最大トルクを生みだす位置にあるとき、その固定子ティースから回転子の磁極間隔と異なる間隔で配置された固定子ティースは、最大トルクを生みだす位置からずれた位置にあることとなり、最大トルクを生みだすことができない。すなわち従来の技術では、トルク脈動を低減しようとすると全体のトルクが減少してしまうという課題がある。【００１１】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、トルク脈動を低減しつつ、トルクの減少を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る同期電動機は、周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、前記複数の固定子ティースは、周方向に並ぶ所定個数単位で固定子ティース組を構成し、当該構成された複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、各固定子ティース組において、固定子ティース組に含まれる所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、前記所定個数の固定子ティースそれぞれに対応づけて、当該固定子ティースと、隣接する両固定子ティースに挟まれた両固定子ヨーク部分の少なくとも一方にひとつの相の巻線を構成するメイン巻線が巻回されており、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつについては、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれるメイン巻線に直列に結線されて前記相とは異なる相の巻線を構成するサブ巻線が前記固定子ヨーク部分にさらに巻回されており、前記全ての巻線それぞれに三相交流電流のいずれかが加えられることにより各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとの磁極の配置間隔と固定子ティースの配置間隔との相違に起因するタイミングずれを補償する巻数及び向きで巻回されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の同期電動機によれば、以下のような効果を得ることができる。【００１４】
上記構成では、各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースは回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並んでいるので、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。【００１５】
また、上記構成によれば、ひとつの固定子ティースに対応づけて巻回されたメイン巻線およびサブ巻線は、それぞれ異なる相の巻線の一部分となる。そのため、当該固定子ティースに生じる磁界は、メイン巻線に基づく磁界とサブ巻線に基づく磁界とをベクトル合成したものとなる。このベクトル合成により得られる磁界の大きさおよび位相は、メイン巻線およびサブ巻線の巻数を調整することにより任意に調整することができる。したがって、固定子ティースが回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で配置されていても、何れの固定子ティースも最大トルクを生みださせることができ、その結果、全体としてのトルクを高めることができる。【００１６】
なお、上記構成では、メイン巻線およびサブ巻線に集中巻が採用されているので、分布巻を採用した同期電動機に比べてコイルエンド部を低く、かつ、巻線の配線長を短くすることができる。したがって、小型で高効率な同期電動機を実現することができる。【００１７】
また、本発明の同期電動機駆動システムは、同期電動機とその駆動装置により構成される同期電動機駆動システムであって、前記同期電動機は、周方向に等間隔に配設された複数の磁極を含む回転子と、環状の固定子ヨークから前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが突出し、当該固定子ティースと、隣接する両固定子ティースに挟まれた両固定子ヨーク部分に当該固定子ティースに対応する固定子巻線が分けて巻回された固定子とを備え、前記複数の固定子巻線は、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは２以上の整数）固定子巻線組を構成し、このように構成された複数の固定子巻線組は周方向に等間隔に並んでおり、各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されており、前記駆動装置は、前記複数の固定子巻線に電流を供給するにあたり、各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、それぞれが個別に接続された外部端子を通じて、各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとの磁極の配置間隔と固定子ティースの配置間隔との相違に起因するタイミングずれを補償する互いに異なる位相の電流を供給する。【００１８】
上記構成では、前記一対の固定子巻線は回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並んでいるので、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。さらに前記一対の固定子巻線はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続されており、これらの固定子巻線には互いに位相が異なる電流が供給される。すなわち回転子の磁極による界磁と固定子巻線に供給される電機子電流との位相差を個別に制御することが可能である。これらよりトルクの減少を抑えつつトルク脈動を低減することができる。【００１９】
なお上記構成では固定子巻線に集中巻を採用しているので、分布巻を採用した同期電動機に比べてコイルエンド部を低く、かつ、巻線の配線長を短くすることができる。したがって小型で高効率な同期電動機を実現することができる。【００２０】
また、上記構成によれば、磁極の数と固定子ティースの数の組み合わせの自由度が高くなる。例えば、２０極であれば、一般的に３０ティースであるが、磁極数に対して固定子ティース数を小さくした、例えば、２０極１８ティースの組み合わせが成立し、極数の割りにティース数を少なくでき、電動機の小型化に有効であり、また巻線の工数を低減できる。【００２１】
なお、上記構成では、第１の巻線および第２の巻線は何れも固定子ヨーク部分に集中巻に巻回されているので、分布巻を採用した同期電動機に比べてコイルエンド部を低く、かつ、巻線の配線長を短くすることができる。したがって、小型で高効率な同期電動機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の平面図
【図２】第１の実施形態に係る同期電動機の平面図
【図３】第１の実施形態に係る固定子ティースに巻回されている固定子巻線の構成を示す概念図
【図４】第１の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図
【図５】第２の実施形態に係る同期電動機の平面図
【図６】第２の実施形態に係る同期電動機の巻線構成模式図
【図７】第３の実施形態に係る同期電動機の平面図
【図８】第３の実施形態に係る同期電動機の巻線構成図
【図９】第３の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図
【図１０】従来の同期電動機の詳細図
【図１１】トルクの時間変化を示す図
【図１２】第４の実施形態に係る同期電動機の平面図
【図１３】第４の実施形態に係る同期電動機の巻線構成模式図
【図１４】第４の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相をベクトルで表したベクトル図
【図１５】第５の実施形態に係る同期電動機の詳細図
【図１６】第５の実施形態に係る同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図
【図１７】第５の実施形態に係る固定子と回転子の位置関係を示す図
【図１８】第５の実施形態に係る各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図
【図１９】第５の実施形態に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
１．第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の平面図、図２は、図１の同期電動機の詳細図である。同期電動機１は、回転子が固定子の外周側に配置された、いわゆるアウターロータ型の同期電動機であり、回転子２及び固定子３から構成される。
【００２４】
回転子２は、回転子コア４および複数の永久磁石５を含み、永久磁石５は回転子コア４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５によって構成される磁極６は、固定子３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は２０極であり、機械角に対して電気角が１０倍の関係となっている。
【００２５】
固定子３は、環状の固定子ヨーク７Ｙ、固定子ヨーク７Ｙから半径方向に回転子２に向かって突出して成る１８個の固定子ティース７（７ａ、７ａｃ、７ａｂ・・・）及び固定子ヨーク７Ｙにおける隣接した固定子ティースに挟まれた部分（以下、固定子ヨーク部分という。）それぞれに巻回された固定子巻線（９１ａ、９１ｃ、９１ｂ、９３ｄ、９２ｅ・・・）を含む。固定子ヨーク部分に巻回された固定子巻線は、メイン巻線及びサブ巻線を含む。巻数の多い方をメイン巻線と称し、巻線の少ない方をサブ巻線と称している。
【００２６】
また、複数の固定子ティース７は、固定子の周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ａ’、８ｂ’、８ｃ’）を構成している。回転子２の周方向に並べられた磁極数は全部で２０極であり、固定子ティースの数は全部で１８となっており、半周当り１０／９でずれて配置されている。
【００２７】
図１において、反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース組８ａに対して、固定子ティース組８ｂは機械角で−６０°、電気角で＋２π／３ラジアンずれて配置されている。また、固定子ティース組８ａに対して、固定子ティース組８ｃは機械角で＋６０°、電気角で＋４π／３ラジアン（−２π／３ラジアン）ずれて配置されている。よって、固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃは互いに電気角で２π／３ラジアンの間隔の配置となる。なお、本実施形態の同期電動機は、固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃの組み合わせが周方向に２組、（固定子ティース組８ａ’、固定子ティース組８ｂ’、固定子ティース組８ｃ’）繰り替えされた配置となる。
【００２８】
次に、図２を用いて、固定子ティース組８ａの構成を詳細に述べる。
【００２９】
図２に示すように、固定子ティース組８ａは、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース７ａと、これに隣接する固定子ティース７ａｂ，７ａｃとから構成されている。反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース７ａｂは、固定子ティース７ａからみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン遅れた位置に配置されており、固定子ティース７ａｃは、固定子ティース７ａからみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン進んだ位置に配置されている。
【００３０】
図３は、固定子ティースに巻回されている固定子巻線の構成を示す概念図である。
【００３１】
同期電動機１は、三相交流電源を１個用いてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相で駆動され、各固定子巻線には、３相の電流のいずれかが流されることになる。以下、第１の相（Ｕ相）の電流が流される固定子巻線をＵ相巻線、第２の相（Ｖ相）の電流が流される固定子巻線をＶ相巻線、第３の相（Ｗ相）の電流が流される固定子巻線をＷ相巻線ということがある。
【００３２】
図３に示すように、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティースには、同相の電流が流される固定子巻線が両隣の固定子ヨーク部分に巻回されている。そして、これに隣接する固定子ティースには、両隣の固定子ヨーク部分の一方に基準の固定子ティースの固定子巻線と同相の電流が流される固定子巻線が巻回され、他方には異なる相の電流が流される固定子巻線が巻回されている。具体的には、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース７ａの左隣の固定子ヨーク部分には、Ｕ相巻線９１ａｂが巻回され、右隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ａｃが巻回されている。ここで、Ｕ相巻線９１ａｂとＵ相巻線９１ａｃを合わせてＵ相巻線９１ａという。
【００３３】
また、固定子ティース７ａｂの右隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ｂが巻回され、左隣の固定子ヨーク部分にはＶ相巻線９２ｅが巻回されている。固定子ティース７ａｃの左隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ｃが巻回され、右隣の固定ヨーク部分にはＷ相巻線９３ｄが巻回されている。また、固定子ティース７ｂａの右隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ｄが巻回され、左隣の固定ヨーク部分にはＶ相巻線９２ｃが巻回されている。また、固定子ティース７ｃａの左隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ｅが巻回され、右隣の固定ヨーク部分にはＷ相巻線９３ｂが巻回されている。各巻線の巻数及び巻回方向については後述する。
【００３４】
固定子ティース組８ａに含まれるＵ相巻線９１ａ，９１ｂ，９１ｃと、固定子ティース組８ｂに含まれるＵ相巻線９１ｄと、固定子ティース組８ｃに含まれるＵ相巻線９１ｅとが、直列に結線され１つのＵ相巻線９１を構成している。ここで、Ｕ相巻線９１ａ，９１ｂ，９１ｃは、メイン巻線であり、Ｕ相巻線９１ｄ、９１ｅはサブ巻線である。Ｕ相巻線９１の端部２１ａはＵ相の入力端子に接続され、Ｕ相巻線９１の端部２１ｎは中性点に接続される。なお、便宜上「直列に結線」と表現しているが、固定子ティース毎に線材を個別に巻回して事後的に接続することに限らず、一本の線材を連続的に各固定子ティースに巻回して構成することも含むものとする。
【００３５】
Ｕ相巻線９１と同様に、Ｖ相巻線９２は、固定子ティース組８ｂに含まれるＶ相巻線（固定子ティース７ｂの左隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線（９２ａｂ）及び右隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線、固定子ティース７ｂの右側の固定子ティースの右隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線、固定子ティース７ｂの左側の固定子ティース（７ｂａ）の左隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線（９２ｃ））と、固定子ティース組８ｃ’に含まれるＶ相巻線と、固定子ティース組８ａに含まれるＶ相巻線（９２ｅ）とを直列に結線して構成されている。Ｖ相巻線９２の一方の端部２２ａはＶ相の入力端子に接続され、Ｖ相巻線９２の他方の端部は中性点に接続される。
【００３６】
同様に、Ｗ相巻線９３は、固定子ティース組８ｃに含まれるＷ相巻線（固定子ティース７ｃの左隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線及び右隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線（９３ａｃ）、固定子ティース７ｃの右側の固定子ティース（７ｃａ）の右隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線（９３ｂ）、固定子ティース７ｃの左側の固定子ティースの左隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線）と、固定子ティース組８ｂ’に含まれるＷ相巻線と、固定子ティース組８ａに含まれるＷ相巻線（９３ｄ）とを直列に結線して構成されている。Ｗ相巻線９３の一方の端部はＷ相の入力端子に接続され、固定子巻線９３の他方の端部（２３ｎ）は中性点に接続される。
【００３７】
同期電動機１では、固定子巻線９１，９２，９３の組み合わせが周方向に２組繰り返された配置となる。
【００３８】
１．１．固定子ティースに生じる磁界
図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図である。図２、図３及び図４を用いて固定子ティースに生じる磁界について説明する。
【００３９】
同期電動機１は三相同期電動機であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の位相差は電気角で２π／３ラジアンである。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａに係るＵ相巻線９１（９１ａ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４にＨ２で示す。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａｂに係るＵ相巻線９１（９１ｂ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４に−Ｕ２で示し、固定子ティース７ａｂに係るＶ相巻線９２（９２ｅ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４にＶ３で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図４にＨ１で示す。また、Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａｃのＵ相の巻線９１（９１ｃ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４に−Ｕ２で示し、固定子ティース７ａｃのＷ相の巻線９３（９３ｄ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４のＷ３で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図４にＨ３で示す。
【００４０】
図２において、固定子ティース７ａからみて固定子ティース７ａｂは、電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン遅れた位置にある。このような位置関係にある固定子ティース７ａｂに、磁界Ｈ２に対して電気角でπラジアンからπ／９ラジアンだけ進んだ磁界Ｈ１が生じるので、固定子ティース７ａｂの軸と回転子の磁極間１１とが一致したときに固定子ティース７ａｂに最大の磁界を生じさせると共に、固定子ティース７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース７に最大の磁界を生じさせることができる。
【００４１】
また、図２において、固定子ティース７ａからみて固定子ティース７ａｃは、電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン進んだ位置にある。このような位置関係にある固定子ティース７ａｃに、磁界Ｈ２に対して電気角でπラジアンからπ／９ラジアンだけ遅れた磁界Ｈ３が生じるので、固定子ティース７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース７ａに最大の磁界を生じさせると共に、固定子ティース７ａｃの軸と回転子の磁極間１１’とが一致したときに固定子ティース７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。
【００４２】
このように本実施形態では、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
【００４３】
１．２．巻数の詳細説明
上記の磁界を発生するための各巻線の巻数、巻回方向の一例について図３及び図４を用いて説明する。
【００４４】
固定子ティース７ａにＵ相磁界Ｈ２を発生するためのＵ相巻線９１ａｂの巻数を＋Ｕｎ１とし、Ｕ相巻線９１ａｃの巻数を−Ｕｎ１とする。ここで、巻数に＋／−の符号を付しているが、＋は固定子ヨーク部に時計方向の磁界を発生する巻方向（以下、＋方向という。）で巻回していることを表し、−はヨーク部に反時計方向の磁界を発生する巻方向（以下、−方向という。）に巻回していることを表す。＋Ｕｎ１と−Ｕｎ１とは、巻回方向が逆であるが、巻数自体はＵｎ１で等しい。
【００４５】
固定子ティース７ａｂについては、Ｕ相磁界−Ｕ２とＶ相磁界＋Ｖ３とを合成した磁界を発生させることで、固定子ティース７ａｂの軸と回転子の磁極間とが一致したときに固定子ティース７ａｂに最大の磁界を生じさせることができる。具体的には、固定子ティース７ａｂにＵ相磁界−Ｕ２を発生するためのＵ相巻線９１ａｃの巻数を−Ｕｎ２とし、Ｕ相巻線９１ｂの巻数を＋Ｕｎ２とする。固定子ティース７ａｂにＶ相磁界＋Ｖ３を発生するためのＶ相巻線９２ｅの巻数を＋Ｖｎ３とし、Ｖ相巻線９２ｃの巻数を−Ｖｎ３とする。
【００４６】
また、固定子ティース７ａｃについては、Ｕ相磁界−Ｕ２とＷ相磁界＋Ｗ３とを合成した磁界を発生させることで、固定子ティース７ａｃの軸と回転子の磁極間とが一致したときに固定子ティース７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。固定子ティース７ａｃにＵ相磁界−Ｕ２を発生するためのＵ相巻線９１ｃの巻数を−Ｕｎ２とし、Ｕ相巻線９１ａｂの巻数を＋Ｕｎ２する。固定子ティース７ａｃにＷ相磁界＋Ｗ３を発生するためのＷ相巻線９３ｂの巻数を＋Ｗｎ３とし、Ｗ相巻線９３ｄの巻数を−Ｗｎ３とする。
【００４７】
また、固定子ティース７ｃａについては、Ｕ相磁界＋Ｕ３とＷ相磁界−Ｗ２とを合成した磁界を発生させることで、固定子ティース７ｃａの軸と回転子の磁極間とが一致したときに固定子ティース７ｃａに最大の磁界を生じさせることができる。固定子ティース７ｃａにＵ相磁界＋Ｕ３を発生するためのＵ相巻線９１ｅの巻数を＋Ｕｎ３とし、Ｕ相巻数９１ｃを−Ｕｎ３とする。固定子ティース７ｃａにＷ相磁界−Ｗ２を発生するためのＷ相巻線９３ａｃの巻数を−Ｗｎ２とし、Ｗ相巻線９３ｂの巻数を＋Ｗｎ２する。
【００４８】
また、固定子ティース７ｂａについては、Ｕ相磁界＋Ｕ３とＶ相磁界−Ｖ２とを合成した磁界を発生させることで、固定子ティース７ｂａの軸と回転子の磁極間とが一致したときに固定子ティース７ｂａに最大の磁界を生じさせることができる。固定子ティース７ｂａにＵ相磁界＋Ｕ３を発生するためのＵ相巻線９１ｂの巻数を＋Ｕｎ３とし、Ｕ相巻数９１ｄを−Ｕｎ３とする。固定子ティース７ｂａにＶ相磁界−Ｖ２を発生するためのＶ相巻線９２ｃの巻数を−Ｖｎ２とし、Ｖ相巻線９２ａｂの巻数を＋Ｖｎ２する。
【００４９】
ここで、上記の巻線においてＵ相巻線に着目すると、巻線９１ｅの巻数は＋Ｕｎ３であり、巻線９１ｃの巻数は−Ｕｎ２と−Ｕｎ３の和であり、巻線９１ａｂの巻数は＋Ｕｎ１と＋Ｕｎ２の和である。また、巻線９１ａｃの巻数は−Ｕｎ１と−Ｕｎ２の和であり、巻線９１ｂの巻数は＋Ｕｎ２と＋Ｕｎ３との和であり、巻線９１ｄの巻数は−Ｕｎ３である。
【００５０】
また、本実施の形態では、磁極の数は２０であり、固定子ティースの数は１８であり、磁極対数は２０／２＝１０である。１相当りの固定子ティースの数は、１８／３＝６であり、３の倍数である。よって、巻線比係数αは以下の式で計算できる。
【００５１】
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
＝｜２π／２０−２π／１８｜×１０
＝π／９ラジアン
また、Ｕｎ２とＵｎ１の関係、及びＶｎ３とＶｎ１の関係は、以下の通りである。
【００５２】
Ｕｎ２＝（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）
＝（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（２π／９）／ｓｉｎ（π／３）
Ｖｎ３＝（Ｖｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
＝（Ｖｎ１）×ｓｉｎ（π／９）／ｓｉｎ（π／３）
図４に示す通り、以上の巻数でベクトル合成された固定子ティース７ａｂに発生する磁界は、固定子ティース７ａで示したＵ相に対して反転した（πラジアンずれた）−Ｕ相に対してπ／９ラジアン進んだ位相の電流のみを通電したことで固定子ティース７ａｂに発生する磁界と等価となる。
【００５３】
ここで、比例係数をＫ＝（Ｕｎ１）／ｓｉｎ（π／３）とすると、Ｕ相巻線９１ｅの巻数は＋Ｕｎ３であり、下式が成り立つ。
【００５４】
＋Ｕｎ３  ＝  （Ｕｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
＝｛（Ｕｎ１）／ｓｉｎ（π／３）｝×ｓｉｎ（α）
＝  ｛ｓｉｎ（α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ｃの巻数は−Ｕｎ３−Ｕｎ２であり、下式が成り立つ。
【００５５】
−Ｕｎ３−Ｕｎ２  ＝  −（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
−（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）
＝  −｛（Ｕｎ１）／ｓｉｎ（π／３）｝｛ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝
＝  −｛ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ａｂの巻数は、＋Ｕｎ２＋Ｕｎ１であり、下式が成り立つ。
【００５６】
＋Ｕｎ２＋Ｕｎ１＝（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）＋（Ｕｎ１）
＝（Ｕｎ１）×｛１＋ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）｝
＝｛（Ｕｎ１）／ｓｉｎ（π／３）｝×｛１×ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝
＝｛ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ａｃの巻数は、−Ｕｎ１−Ｕｎ２であり、下式が成り立つ。
【００５７】
−Ｕｎ１−Ｕｎ２  ＝  −｛ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ｂの巻数は、＋Ｕｎ２＋Ｕｎ３であり、下式が成り立つ。
【００５８】
＋Ｕｎ２＋Ｕｎ３  ＝  ｛ｓｉｎ（π／３−α）＋ｓｉｎ（α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ｄの巻数は、−Ｕｎ３であり、下式が成り立つ。
【００５９】
−Ｕｎ３  ＝  −｛ｓｉｎ（α）｝×Ｋ
ここで、Ｕ相巻線９１ｅ、９１ｃ、９１ａｂ、９１ａｃ、９１ｂ、９１ｄの巻数をそれぞれ＋Ｎ１、−Ｎ２、＋Ｎ３、−Ｎ３、＋Ｎ２、−Ｎ１とし、α＝π／９ラジアン、Ｋ＝１００とした場合、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３の具体的な値は下記のようになる。
【００６０】
Ｎ１＝｛ｓｉｎ（α）｝×１００≒３４（ターン）
Ｎ２＝｛ｓｉｎ（π／３−α）＋ｓｉｎ（α）｝×１００≒９８（ターン）
Ｎ３＝｛ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝×１００≒１５１（ターン）
なお、上記の式では、右辺と左辺とがほぼ等しいことを示す記号（≒）を用いているが、これは実際には完全に一致させることが困難な場合が多いためである。上記の記号は、右辺が小数になる場合にはその小数に近い整数を採用する程度の一致を含み、さらには、設計上誤差として無視できる程度の一致を含むこととする。Ｕ相の場合と同様に、Ｕ相に対して各々２π／３ラジアンずれた位置に配置したＶ相、Ｗ相についても巻数を決定できる。固定子ヨーク部分に巻回された巻線の巻数は上記３相の内２種類の巻線で構成され（Ｎ１＋Ｎ３）ターン、（Ｎ２＋Ｎ２）ターン、（Ｎ３＋Ｎ１）ターンが繰り返されることになる。
【００６１】
また、本実施形態では、固定子ヨーク部分に固定子巻線を巻回するのに集中巻を採用している。そのため、固定子の端面の巻線いわゆるコイルエンドの小型化が図れ、同期電動機の小型化ができる。また、巻線のコイルエンドは、電流を流してもトルクに寄与しない部分であり、通電時の巻線抵抗によるジュール損である銅損を低下することができ高効率である。
【００６２】
また、本実施形態では、回転子が固定子の外周側に配置された、いわゆるアウターロータ型を採用している。そのため、同じ体積で比較した場合、回転子が固定子の内周側に配置されたインナーロータ型に比べて、回転子径を大きくすることができる。したがって、本実施形態のような極数が２０となるような同期電動機でも、永久磁石の大きさを小さくする必要がないので有効磁束の低下を防ぐことができる。
【００６３】
また、本実施形態では、回転子磁極の数が２０個、固定子ティースの数が１８個の同期電動機について説明しているが、固定子ティースが９個や２７個といった９の倍数に対して、回転子の磁極数が１０の倍数の組み合わせ、すなわち１０ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）の組み合わせであれば、電気角で上記の関係が成立する配置関係とすることで同様の効果が得られる。
【００６４】
また、固定子ティースおよび回転子の磁極のいずれか、または両者を回転軸方向で旋回した構成とすることで、磁束変化がより滑らかになり、さらなる低振動な同期電動機とすることができる。
【００６５】
また、固定子の磁性材を圧粉鉄心材や、薄板の磁性材や、アモルファス磁性材を用いることで鉄損を大幅に低減することができ、より高効率な同期電動機とすることができる。
【００６６】
また、１極を構成する永久磁石を複数個で構成することにより永久磁石に発生する渦電流損を低減でき、より高効率な同期電動機とすることができる。
【００６７】
また、巻線の複数の細い径の巻線や、扁平な平角線とすることで巻線の表面積を拡大し、高周波駆動時の表皮効果を低減して高効率な同期電動機とすることができる。
２．第２の実施形態
本実施形態が第１の実施形態と異なるのは、回転子が固定子の外周側だけでなく内周側にも配置され、それに伴い、固定子が、固定子ティースを固定子外径側だけでなく固定子内径側に備えている点である。
【００６８】
図５は、本実施形態に係る同期電動機の平面図である。
【００６９】
図６は、本実施形態に係る同期電動機の巻線構成模式図である。
【００７０】
同期電動機３３は、回転子２Ａ、２Ｂおよび固定子２３から構成される。
【００７１】
固定子２３の外側の回転子２Ａは、回転子コア４Ａおよび２０個の永久磁石５Ａを含み、永久磁石５Ａは回転子コア４Ａに回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５Ａによって構成されるＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対は電気角で２πラジアンとなり、図５に破線で示した隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンである。同様に、固定子２３の内側の回転子２Ｂは、回転子コア４Ｂおよび２０個の永久磁石５Ｂを含み、永久磁石５Ｂは回転子コア４Ｂに回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５Ｂによって構成されるＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対は電気角で２πラジアンとなり、図５に破線で示した隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンである。
【００７２】
巻線に関しては、第１の実施形態と同様である。
【００７３】
以上の構成によれば、固定子ティースが固定子外径側だけでなく、固定子内径側にもあり、固定子ヨークの巻線に通電して発生する磁束が、固定子の外径側の回転子と内径の回転子に流れる。固定子の外周と内周に回転子を用いたので、巻線の利用率も高く、高トルクな同期電動機を容易に実現できる。
【００７４】
３．第３の実施形態
本実施形態は、第１の実施形態と巻線の巻数および結線が異なる。
【００７５】
巻線については、隣接する２つの固定子ヨーク部分それぞれに２種類ずつ固定子巻線を巻回し、この連続する２つの固定子ヨーク部分の両隣の固定子ヨーク部分それぞれには１種類の固定子巻線を巻回した構成としている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７６】
３．１．構成
図７は、本実施形態に係る同期電動機の平面図、図８は、同期電動機の巻線構成図、図９は、磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図である。
【００７７】
同期電動機５１は回転子２、および固定子１３から構成される。
【００７８】
回転子２については第１の実施形態と同じであり、固定子１３についても固定子巻線の構成以外は第１の実施形態と同じである。
【００７９】
図８において、Ｕ相巻線１８６が固定子ティース７ａに対応づけて＋方向に巻回されている。
【００８０】
Ｕ相巻線１８７は、固定子ティース７ａｂの右隣の固定子ヨーク部分に−方向に巻回され、Ｕ相巻線１８５は、固定子ティース７ａｃの右隣の固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。さらに、Ｕ相巻線１８９が固定子ティース７ｂａの右隣の固定子ヨーク部分に＋方向に巻回されており、Ｕ相巻線１８３が固定子ティース７ｃａの右隣の固定子ヨーク部分に＋方向に巻回されている。
【００８１】
Ｕ相巻線について、巻線１８６は、固定子ヨーク部分に１種だけ巻回されており、他の巻線については、巻回されている固定子ヨーク部分に他種の巻線と共に巻回されている。
【００８２】
Ｖ相巻線１８８、１９０、１９１、１９２、１９４についても、Ｖ相巻線１８８、１９１、１９４が各固定子ヨーク部分に＋方向に巻回され、Ｖ相巻線１９０、１９２が各固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。Ｖ相巻線についても、巻線１９１は、固定子ヨーク部分に１種だけ巻回されており、他の巻線については、巻回されている固定子ヨーク部分に他種の巻線と共に巻回されている。
【００８３】
また、Ｗ相巻線１７７、１７９、１８１、１８２、１８４についても、Ｗ相巻線１７７、１８１、１８４が各固定子ヨーク部分に＋方向に巻回され、Ｗ相巻線１７９、１８２が各固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。またＷ相巻線についても、Ｗ相巻線１８１は固定子ヨーク部分に１種だけ巻回されており、他の巻線については、巻回されている固定子ヨーク部分に他種の巻線と共に巻回されている。
【００８４】
例えば、図７に示すように、Ｗ相巻線１８２と、Ｕ相巻線１８３が同一の固定子ヨーク部分に巻回され、Ｗ相巻線１８４と、Ｕ相巻線１８５が同一の固定子ヨーク部分に巻回されている。Ｕ相巻線１８６は、単独で固定子ヨーク部分に巻回されており、Ｕ相巻線１８７と、Ｖ相巻線１８８が同一の固定子ヨーク部分に巻回され、Ｕ相巻線１８９と、Ｖ相巻線１９０とが同固定子ヨーク部分に巻回されている。
【００８５】
３．２．発生磁界
以下、上述のように巻回された巻線構成によって各固定子ティースに生じさせる磁界について説明する。なお、固定子ティースと回転子磁極との位置関係が理解しやすいように、固定子ヨーク部分の左隣に位置する固定子ティースの中央と、回転子磁極間の関係に着目している。また、回転子は、反時計方向に回転するものとする。
【００８６】
図７において、Ｕ相巻線１８６に対応する固定子ティース７ａと回転子磁極間とが対向している。このとき固定子ティース７ａは最大トルクを生み出し、このときのＵ相巻線１８６が生じさせる磁界を図９にＨ２として示している。
【００８７】
Ｕ相巻線１８７とＶ相巻線１８８が巻回された固定子ヨーク部分の左隣の固定子ティース７ａｂは、固定子ティース７ａと対向した磁極に対して、πラジアン＋π／９ラジアン進んでいる。図９では、Ｕ相巻線１８７による磁界−Ｕ２とＶ相巻線１８８による磁界Ｖ３を示すベクトルの合成ベクトルＨ１を、Ｕ相に対してπラジアン＋π／９ラジアン進んだ固定子ティース７ａｂに発生する磁界を示すベクトルとして表している。
【００８８】
同様に、Ｕ相巻線１８５とＷ相巻線１８４とが巻回された固定子ヨーク部分の左隣の固定子ティース７ａｃは、固定子ティース７ａと対向した磁極に対してπラジアン＋π／９ラジアン遅れている。これは、位相関係においてπラジアン−π／９ラジアン進んでいるのと等価である。図９では、Ｗ相巻線１８４による磁界Ｗ３と、Ｕ相巻線１８５による磁界−Ｕ２を示すベクトルの合成ベクトルＨ３を、Ｕ相に対してπラジアン−π／９ラジアン遅れた固定子ティース７ａｃに発生する磁界を示すベクトルとして表している。その他の固定子ヨーク部分に巻回された巻線による磁界（例えばＨ４、Ｈ５等）も同様である。このようなベクトルで表されるよう、巻数、巻方向を調整することで電流位相を各々トルクが最大となる位相に制御でき、高トルクかつ低振動な同期電動機を提供できる。
【００８９】
３．３．トルクの比較
次に、本実施形態の同期電動機から得られるトルクと、従来の同期電動機から得られるトルクとを比較する。図１０は、従来の同期電動機の詳細図である。従来の同期電動機は、本実施形態の同期電動機と巻線の構成が異なる。図１０に示すように、固定子ティース８７ａ，８７ａｂ，８７ａｃには、それぞれ巻線８９１ａ，８９１ｂ，８９１ｃが巻回され、これらは直列に結線されており、巻線の一方の端部２７ａはＵ相の入力端子に接続され、他方の端部２７ｎは中性点に接続される。各固定子ティースにはＵ相の巻線しか巻回されていないため、各固定子ティースに生じる磁界は同位相となる。すなわち固定子ティース８７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース８７ａに最大の磁界を生じさせることとすれば、固定子ティース８７ａｂと回転子の磁極間１１とがずれたときに固定子ティース８７ａｂに最大の磁界が生じ、同様に固定子ティース８７ａｃと回転子の磁極間１１’とがずれたときに固定子ティース８７ａｃに最大の磁界が生じる。そのため固定子ティース８７ａが生み出すマグネットトルクについては最大とすることができるが、固定子ティース８７ａｂ，８７ａｃがそれぞれ生み出すマグネットトルクについては最大とすることができない。したがって、本実施形態に比べて、全体のトルクは低く、トルク脈動も大きい。
【００９０】
図１１は、トルクの時間変化を示す図である。
【００９１】
本実施形態の同期電動機から得られるトルク波形をＴ１で示し、従来の同期電動機から得られるトルク波形をＴ０で示す。トルクの大きさについては、本実施形態は従来に比べて１０５％高めることができた。また、平均トルクに対するトルク脈動の比であるトルク脈動率については、本実施形態は従来に比べて５．３％から０．５％まで大幅に低減させることができた。このように本実施形態によれば、従来トレードオフの関係と考えられていた高トルク化とトルク脈動の低減とを両立させることができた。
【００９２】
４．第４の実施形態
本実施形態は、１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）の同期電動機である点が第１の実施形態と異なる。
【００９３】
４．１．構成
図１２は、本実施形態に係る同期電動機の平面図であり、図１３は、本実施形態に係る同期電動機の巻線構成模式図である。
【００９４】
同期電動機４１は、回転子４２と固定子４３から構成される。
【００９５】
回転子４２は、回転子コア４４および１０個の永久磁石４５を含み、永久磁石４５は回転子コア４４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石４５によって構成される磁極４６は、固定子４３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は１０極であり、機械角に対して電気角が５倍の関係となっている。このように、磁極の個数が１０であり、固定子ティースの個数が１２であるため、固定子ティース４７は円周に沿って半円あたり５／６でずれて配置されている。なお、固定子ティース４７は、固定子ティース４７ａｂ、４７ａｃ、４７ｃａ、４７ｂａ、４７ｃｂ、４７ｂｃなど「固定子ティース４７＋添え字」で表したものを含めた固定子ティースの総称である。回転子磁極間４１０，４１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計回転方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を４１１、反時計回転方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を４１０と示している。
【００９６】
固定子４３は、回転子４２に対向配置されている複数の固定子ティース４７および各固定子ティース４７を挟む両隣の固定子ヨーク部分に集中巻に巻回されたメイン巻線およびサブ巻線を含む。
【００９７】
反時計回転方向を＋とした場合、固定子ティース４７ａｃが、回転子の磁極間４１０に対して電気角でπ／１２ラジアン進んだ位置に配置されるときに、固定子ティース４７ａｂは、回転子の磁極間４１１に対して電気角でπ／１２ラジアン遅れた位置に配置される。
【００９８】
また、固定子ティース４７ｂａは回転子磁極間４１１に対して２／３πラジアン進んだ位置４２２から電気角でさらにπ／１２ラジアン進んだ位置に配置され、固定子ティース４７ｂｃは位置４２２からみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／１２ラジアン遅れた位置に配置される。
【００９９】
また、固定子ティース４７ｃａは、回転子磁極間４１０に対して２／３πラジアン遅れた位置４２３から電気角でさらにπ／１２ラジアン遅れた位置に配置され、固定子ティース４７ｃｂは位置４２３からみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／１２ラジアン進んだ位置に配置されている。
【０１００】
よって、固定子ティース４７ａｃと固定子ティース４７ａｂに対して、固定子ティース４７ｂａと固定子ティース４７ｂｃ、固定子ティース４７ｃｂと固定子ティース４７ｃａは、それぞれ電気角で２π／３ラジアンの等間隔で配置されている。
【０１０１】
４．２．固定子ティース組の構成
次に、固定子ティース組の構成について説明する。１２個の固定子ティース４７は、周方向に並ぶ２個単位で固定子ティース組を構成している。ひとつの固定子ティース組のなかで回転子との位相関係を示す基準の固定子ティースは、メイン巻線の巻数が最も多い固定子ティースとする。例えば、固定子ティース４７ａｂ，４７ａｃから構成される固定子ティース組に着目すると、基準の固定子ティースは固定子ティース４７ａｂ，４７ａｃである。図１２に示すように、固定子ティース４７ａｃおよび固定子ティース４７ａｂのそれぞれが、磁極間隔であるπラジアンに対してπ／１２ラジアンずれて配置される。
【０１０２】
４．３．固定子巻線の構成
固定子巻線の構成について説明する。
【０１０３】
図１３は、固定子ティースに巻回されている固定子巻線の構成を示す概念図である。
【０１０４】
図１３に示すように、Ｕ相巻線２００は、Ｕ相巻線２０１、２０２、２０３、２０４を直列に結線して構成されている。Ｕ相巻線２００の端部４２１ａはＵ相の入力端子に接続され、Ｕ相巻線２００の端部４２１ｎは中性点に接続される。
【０１０５】
Ｕ相巻線２０１は、＋方向に巻回されている。Ｕ相巻線２０３は＋方向に巻回され、Ｕ相巻線２０２、２０４は−方向に巻回されている。
【０１０６】
図１３中のＷ相巻線については、Ｗ相巻線２２３が、Ｕ相巻線２０１の巻回された固定子ヨーク部分に＋方向に巻回され、Ｗ相巻線２２４が、Ｕ相巻線２０２の巻回された固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。
【０１０７】
図１３中のＶ相巻線については、Ｖ相巻線２１１が、Ｕ相巻線２０３の巻回された固定子ヨーク部分に＋方向に巻回され、Ｖ相巻線２１２が、Ｕ相巻線２０３の巻回された固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。
【０１０８】
４．４．固定子ティースに生じる磁界
次に、これらの固定子ティースに生じる磁界について説明する。なお、回転子は、反時計方向に回転するものとする。
【０１０９】
図１４は、磁界の大きさおよび位相をベクトルで表したベクトル図である。
【０１１０】
固定子ティースと回転子磁極との位置関係が理解しやすいように、巻線が巻回された固定子ヨーク部分の右隣の固定子ティース中央と、回転子磁極間の関係に着目する。また、当該固定子ヨーク部分に巻かれた巻線が、当該右隣の固定子ティースに磁界を生じるものとする。
【０１１１】
図１２の位置関係の場合、Ｕ相巻線２０２とＷ相巻線２２４とが巻回された固定子ヨーク部分の右隣の固定子ティース４７ａｂの中心は磁極間４１１に対してπ／１２ラジアン遅れた位置に配置されている。図１４では、固定子ティース４７ａｂに発生する磁界をＵ相巻線２０２による磁界−Ｕ１とＷ相巻線２２４による磁界Ｗ２を示すベクトルの合成ベクトルベクトルＨ１として示している。
【０１１２】
同様に、図１２で、Ｕ相巻線２０３とＶ相巻線２１１とが巻回された固定子ヨーク部分の右隣の固定子ティース４７ａｃの中心は、磁極間４１０に対してπ／１２ラジアン進んだ位置に配置されている。図１４では、固定子ティース４７ａｃに発生する磁界をＵ相巻線２０３による磁界Ｕ１とＶ相巻線２１１による磁界−Ｖ２を示すベクトルの合成ベクトルをＨ２で示す。
【０１１３】
このように、回転子と固定子の位置関係に適した磁界を構成することで、高トルクかつトルク脈動も低減でき滑らかな駆動を実現できる。
【０１１４】
ここで、このベクトル図で表された磁界を発生する巻線の巻数について、具体例を挙げて説明する。磁極の数が１０、ティースの数が１２であり、電気角で２π／３ラジアン毎に配置された３種類の巻線のいずれか２種類の巻線を隣接したティース間の環状ヨーク部に一芯状に集中巻に巻回し、磁極対数が５、１相当りのティース数４であり、４＝３ｍ＋１のとき、巻数比係数αは以下の式で計算できる。
【０１１５】
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２
＝｜２π／１０−２π／１２｜×５／２
＝π／１２  ラジアン
また、固定子ティース４７ａｂに対応するＵ相の巻線２０２の巻数をＮ１１２、固定子ティース４７ａｂに対応するＶ相の巻線２２４の巻数をＮ２１２とし、それらの巻線の巻数の和をＮ１とすると下式が成り立つ。
【０１１６】
Ｎ１＝Ｎ１１２＋Ｎ２１２
Ｎ１１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ２１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／４）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース４７ａｂに生じる磁界Ｈ２は、Ｕ相に対して電気角でπ／１２ラジアン進んだ位相をもつこととなる。
【０１１７】
また、固定子ティース４７ａｃに対応するＵ相の巻線２０３の巻数をＮ１１３、固定子ティース４７ａｃに対応するＷ相の巻線２１１の巻数をＮ３１３とし、それらの巻線の巻き数の和をＮ１とすると下式が成り立つ。
【０１１８】
Ｎ１＝Ｎ１１３＋Ｎ３１３
Ｎ１１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ３１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／４）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース４７ａｃに生じる磁界Ｈ１は、−Ｕ相に対して電気角でπ／１２ラジアン遅れた位相をもつこととなる。
【０１１９】
図１２において、回転子磁極間４１０からみて固定子ティース４７ａｃは、電気角でπ／１２ラジアン進んだ位置にある。このような位置関係にある固定子ティース４７ａｃに、−Ｕ相からπ／１２ラジアンだけ遅れた磁界Ｈ１が生じるので、固定子ティース４７ａｃの軸と回転子の磁極間４１０とが一致したときに固定子ティース４７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。
【０１２０】
また、図１２において、回転子磁極間４１１からみて固定子ティース４７ａｂは、電気角でπ／１２ラジアン遅れた位置にある。このような位置関係にある固定子ティース４７ａｂに、Ｕ相からπ／１２ラジアンだけ進んだ磁界Ｈ２が生じるので、固定子ティース４７ａｂの軸と回転子の磁極間４１１とが一致したときに固定子ティース４７ａｂに最大の磁界を生じさせることができる。
【０１２１】
このように本実施形態では、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
【０１２２】
また、本実施例は１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）の構成であるが、２０極２４ティースでも同じ効果が得られる。１０ｑ極１２ｑティースでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が軸に対して対称な配置となるので、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期電動機が得られる。同様に２４極２７ティースでは、中性点接続された隣接したティースに巻回された４個の巻線が軸に対して機械角で９０°ごとの配置となるため、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。
【０１２３】
５．第５の実施形態
第１の実施形態と異なるのは、巻線及び供給する電流であり、この点を中心に説明する。第１の実施形態では、三相交流電源を１個用いＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相で駆動していたのに対し、本実施形態では、三相交流電源を３個用い、Ｕ１相、Ｕ２相、Ｕ３相、Ｖ１相、Ｖ２相、Ｖ３相、Ｗ１相、Ｗ２相、Ｗ３相の９相で駆動する。
【０１２４】
本実施形態の同期電動機の平面図は、第１の実施形態と共通の図１で示される。
【０１２５】
図１５は、同期電動機の詳細図である。
【０１２６】
固定子ティース組８ａは、３個の隣接した固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａから構成されている。固定子ティース６１ａの左隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８１ａｂが−方向に巻回され、右隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８１ａｃが＋方向に巻回されている。固定子巻線８１ａｂと固定子巻線８１ａｃとは、直列に結線されて、Ｕ１相の電流が流されるＵ１相巻線８１ａを構成する。また、固定子ティース６２ａの左隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８２ａｂが−方向に巻回され、右隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８２ａｃが＋方向巻回されている。固定子巻線８２ａｂと固定子巻線８２ａｃとは、直列に結線されて、Ｕ２相の電流が流されるＵ２相巻線８２ａを構成する。また、固定子ティース６３ａの左隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８３ａｂが−方向に巻回され、右隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８３ａｃが＋方向に巻回されている。固定子巻線８３ａｂと固定子巻線８３ａｃとは、直列に結線されて、Ｕ３相の電流が流されるＵ３相巻線８３ａを構成する。
【０１２７】
ここで、固定子ティース６２ａに対して、固定子ティース６１ａは、機械角で＋２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアン（機械角１８°）からさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。また、同様に固定子ティース６２ａに対して、固定子ティース６３ａは、機械角で−２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアンからさらに−π／９ラジアンずれて配置されている。ここで、固定子ティースは、周方向に等間隔で３６０／１８＝２０°の間隔で並べられている。一方、回転子の磁極は周方向に等間隔で２０個並べられており、３６０／２０＝１８°の間隔となる。図１に示した他の２組の固定子ティース組８ｂ、８ｃも上記固定子ティース組８ａ同様に、固定子ティース組内において、３個の巻線が磁極間隔である電気角πラジアンから電気角で＋π／９ラジアンと−π／９ラジアンずれて配置されている。
【０１２８】
図１６は、図１に示した同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。
【０１２９】
図示した巻線端子番号末尾のａ、ｂ、ｃは、それぞれ固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃを構成する巻線に対応している。
【０１３０】
固定子ティース組８ａ内の３個の固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａのそれぞれの巻線端子３１ａ、３２ａ、３３ａは、個別に外部に出されていて、駆動装置であるインバータの接続端子に個別に接続されている。固定子ティース組８ｂ内の３個の巻線端子３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、および、固定子ティース組８ｃの３個の巻線端子３１ｃ、３２ｃ、３３ｃも同様に、個別に外部に出されていて、駆動装置であるインバータの接続端子に個別に接続されている。
【０１３１】
また、異なる固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃで位相差が２π／３ラジアンとなる固定子巻線の端子は共通に中性点に接続されている。すなわち巻線端子３４ａと巻線端子３４ｂと巻線端子３４ｃは第１の中性点に接続され、巻線端子３５ａと巻線端子３５ｂと巻線端子３５ｃは第２の中性点に接続され、巻線端子３６ａと巻線端子３６ｂと巻線端子３６ｃは第３の中性点に接続されている。この例では第１，第２および第３の中性点を電気的に分離させているが、このうちのいずれか２つの中性点あるいは全ての中性点を電気的に接続することとしてもよい。
【０１３２】
また、本実施形態では固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃが２組ずつあり、末尾のａ、ｂ、ｃが同じ固定子ティース組どうしは回転子の磁極に対して電気角で同じ位置関係にある。そのため６組の固定子ティース組のうち隣接した３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよいし、一つ置きの３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよい、また、６組の全ての固定子ティース組で中性点接続を構成してもよい。
【０１３３】
以上、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の構成について説明した。１８個の固定子ティースは、回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組を構成している。また各固定子ティース組内の３個の固定子巻線は、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されている。
【０１３４】
ここで「個別」とは、ひとつの固定子ティース組に含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものであり、異なる固定子ティース組にそれぞれ含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものではない。従って、異なる固定子ティース組に含まれる固定子巻線どうしは、条件が許せば共通に接続される場合もある。例えば、固定子ティース組８ａに含まれている固定子巻線８１ａと固定子ティース組８ａ’に含まれている固定子巻線８１ａ’には同じ位相の電流が供給されるため、これらを共通の外部端子に接続することとしてもよい。もちろん個別に外部端子に接続することとしても何ら問題はない。
【０１３５】
本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムは、上記同期電動機の複数の巻線端子に互いに位相の異なる電流を供給する駆動装置を備えている。次に、駆動装置および通電方法に関して説明する。
【０１３６】
図１７は、本発明の第１の実施形態の固定子と回転子の位置関係を示し、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）は回転子２が反時計方向に各々機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転したときの固定子および回転子の位置関係を示している。また、図１８は、本実施形態において各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図である。図１８中の（ａ）（ｂ）（ｃ）で示される時間は、それぞれ図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）に示される位置関係に対応している。
【０１３７】
図１、図１７に、回転子の磁極間を１０、１１で示した。回転子の磁極間１０、１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を１０、反時計方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を１１と示している。なお、磁極間１１’は、磁極間１１に対して電気角では同じ位置であるが機械角では異なる位置にある。
【０１３８】
図１７（ａ）では、一点鎖線で示したように、固定子ティース６３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにＵ３相巻線８３ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。なお図１５で説明したように隣接する磁極どうしのなす角度（１８°）と隣接する固定子ティースどうしのなす角度（２０°）が異なるため、固定子ティース６３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向していれば、固定子ティース６２ａの中心および回転子磁極間１０、ならびに固定子ティース６１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向することになる。
【０１３９】
図１７（ｂ）では、図１７（ａ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース６２ａの中心と回転子磁極間１０とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにＵ２相巻線８２ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース６３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース６１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向している。
【０１４０】
図１７（ｃ）では、図１７（ｂ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース６１ａの中心と回転子磁極間１１’とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにＵ１相巻線８１ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース６３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース６２ａの中心および回転子磁極間１０はずれた位置関係で対向している。
【０１４１】
図１７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した位置関係となる各時間に、すなわち、固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａの固定子ティース中心が回転子磁極間と対向している各時間に、Ｕ１相巻線８１ａ、Ｕ２相巻線８２ａ、Ｕ３相巻線８３ａに流れる電流がそれぞれ最大になるように位相を調整して電流を供給する。そうすると固定子ティース毎にマグネットトルクを最大とすることができ、全体として高トルク化を図ることができる。
【０１４２】
図１８では、巻線端子３１ａ、３２ａ、３３ａに流した電流（Ｕ１相巻線８１ａ、Ｕ２相巻線８２ａ、Ｕ３相巻線８３ａに流した電流）が縦軸に、時間が横軸に示されている。図１８に示すように、巻線端子３２ａに流す電流に対して巻線端子３３ａに流す電流はπ／９ラジアン進めてあり、巻線端子３２ａに流す電流に対して巻線端子３１ａに流す電流はπ／９ラジアン遅らせてある。
【０１４３】
各固定子巻線の配置関係と各固定子巻線に流す電流とは以下の関係がある。
【０１４４】
Ｕ２相巻線８２ａに対してＵ３相巻線８３ａは、電気角でπラジアンからさらに−π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、Ｕ２相巻線８２ａに流す電流に対してＵ３相巻線８３ａに流す電流は、π／９ラジアン進めることとする。一方、Ｕ２相巻線８２ａに対してＵ１相巻線８１ａは、電気角でπラジアンからさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、Ｕ２相巻線８２ａに流す電流に対してＵ１相巻線８１ａに流す電流は、π／９ラジアン遅らせることとする。
【０１４５】
図１９は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。
【０１４６】
同期電動機駆動システムは、駆動装置としての直流電源１００およびインバータ１０１、１０２、１０３と、同期電動機１とから構成されている。インバータ１０１、１０２、１０３は、それぞれ三相交流を生成して同期電動機１に供給する。インバータ１０１の出力電流１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはそれぞれ２π／３ラジアンずつ位相がずれている。インバータ１０２の出力電流１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃについても同様であり、インバータ１０３の出力電流１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃについても同様である。また出力電流１０１ａ、１０２ａ、１０３ａはそれぞれπ／９ラジアンずつ位相がずれている。出力電流１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂについても同様であり、出力電流１０１ｃ、１０２ｃ、１０３ｃについても同様である。
【０１４７】
図１５で示したように、固定子ティースは電気角でπ／９ラジアンずれて配置されているので、これらの固定子ティースに巻回された固定子巻線に流す電流をπ／９ラジアンずらすこととしている。すなわち図１７（ａ）の位置関係では、Ｕ３相巻線８３ａに流れる電流が最大になるように位相を調整し、図１７（ｂ）の位置関係では、Ｕ２相巻線８２ａに流れる電流が最大になるように位相を調整し、図１７（ｃ）の位置関係では、Ｕ１相巻線８１ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給している。そうするとそれぞれの固定子ティースが生じさせるマグネットトルクがそれぞれ最大となり、全体として高トルク化を実現することができる。
【０１４８】
以上説明したとおり、本実施形態の同期電動機では、回転子磁極の間隔が機械角１８°（電気角πラジアン）であるのに対し、固定子ティース組内の３個の固定子ティースの間隔は機械角１８°度からずれた機械角２０°としている。このように機械的な位相差をもたせることにより、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。
【０１４９】
また本実施形態の同期電動機では、固定子ティース組内の固定子ティースは電気角πラジアンに対して各々π／９ラジアンの位相差をもつ配置となっており、各固定子ティースに巻回された固定子巻線にはπ／９ラジアンの位相差を持たせた電流を流している。そのため、各々の固定子ティースにより発生するトルクを同じにすることができるのでπ／３ラジアンを基本周期とするトルク脈動を打ち消すことができ、かつ、各々の固定子ティースにより発生するトルクを最大にすることができるので全体のトルクを高めることができる。
【０１５０】
なお、図１７、図１８では永久磁石による発生するマグネットトルクのみを考慮していたので、固定子ティースの中心と回転子磁極間とが一致して対向した位置関係において固定子巻線に流れる電流が最大となるように電流の位相を調整している。しかしながら本実施形態の同期電動機は、回転子コア内部に永久磁石を配置した、いわゆる磁石埋込み型同期電動機であり、磁石によるマグネットトルクに加えて、磁気抵抗の差によるリラクタンストルクを利用することができる同期電動機である。そのためマグネットトルクとリラクタンストルクの両者を生かして最大トルクを得るために、固定子ティースの中心と回転子磁極間とが一致して対向する位置で最大電流となる位相よりも電流位相を進めることが有効な場合もある。
【０１５１】
また、本実施形態では、固定子ヨーク部分に固定子巻線を巻回するのに集中巻を採用している。そのため固定子の端面の巻線いわゆるコイルエンドの小型化がはかれ、同期電動機の小型化ができる。また、固定子巻線のコイルエンドは、電流を流してもトルクに寄与しない部分であり、通電時の巻線抵抗によるジュール損である銅損を低下することができ高効率である。
【０１５２】
また、本実施形態では、回転子が固定子の外周側に配置された、いわゆるアウターロータ型を採用している。そのため同じ体積で比較した場合、回転子が固定子の内周側に配置されたインナーロータ型に比べて、回転子径を大きくすることができる。したがって本実施形態のような極数が２０となるような同期電動機でも、永久磁石の大きさを小さくする必要がないので有効磁束の低下を防ぐことができる。
【０１５３】
また、本実施形態では、回転子磁極の数が２０個、固定子ティースの数が１８個の同期電動機であるが、固定子ティースが９個や２７個といった９の倍数に対して、回転子の磁極数が１０の倍数の組み合わせ、すなわち１０ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）の組み合わせであれば、電気角で上記の関係が成立する配置関係とすることで、同様の効果が得られる。また、８ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）や１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）でも同様の効果を得られる構成とすることができる。
【０１５４】
また、本実施形態では、中性点接続された固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃと、固定子ティース組８ａ’、８ｂ’、８ｃ’のグループが２個、軸に対して対称な配置となるので、固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期電動機が得られる。同様に３０極２７ティースでは、中性点接続された固定子ティース組が３個軸に対して機械角で１２０°ごとの配置となるため、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。
【０１５５】
以上、本実施形態によれば、トルクの減少を抑えつつトルク脈動も低減することができ、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期電動機駆動システムを提供することができる。
【０１５６】
６．変形例その他
（１）上記実施形態では、１０ｑ極９ｑティースの構成を挙げているが、本発明はこれに限らない磁極とティース数の組み合わせが可能である。例えば、８ｑ極９ｑティース、１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）、１６ｑ極１５ｑティースの構成でも構わない。
なお、各固定子ヨーク部分に巻回されている第１巻線および第２巻線の比率は、基準の固定子ティースからみたときの位相差を打ち消すように設定されている。そうすることで固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
（２）なお、各固定子ヨーク部分に巻回されている第１の巻線および第２の巻線の比率は、隣接する固定子ティースの位相差を打ち消すように設定されている。そうすることで固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
（３）実施形態では３相駆動の同期電動機を例示しているが、本発明は、例えば５相や７相など多相駆動と等価の同期電動機にも適用可能である。
（４）実施形態では固定子巻線は固定子ヨーク部分に巻回されているが、固定子ティースに巻回した巻線と組み合わせることも可能である。
（５）実施形態では特に説明していないが、固定子巻線が回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子巻線の配置間隔だけずれていくスキュー配置を施すこととしてもよい。
（６）実施形態では、回転子が固定子の外側に配置されたアウターロータ型の同期電動機で説明しているが、回転子を固定子の内側に配置したインナーロータ型の同期電動機や、回転子と固定子とが軸方向に空隙を持って配置された、いわゆる面対向のアキシャルギャップ式同期電動機や、それらを複数組み合わせた構造の同期電動機でも同じ効果があることは言うまでもない。
（７）実施形態では、回転子の磁極を永久磁石により構成したが、磁気抵抗の差で構成したリラクタンストルクを利用した同期電動機、回転子に両者を組み合わせた同期電動機でも適用可能である。
（８）本発明は、同期回転機に限らず、同期発電機、また、直動駆動されるリニア同期電動機、リニア同期発電機にも適用できる。
（９）本発明は、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期電動機を提供することができ、低振動、低騒音性が要求される自動車用途に特に有用である。また、この同期電動機は、径が大きく薄型であるためインホイールモータとして特に有用である。
（１０）上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。例えば、第３の実施形態として説明した図７に示す巻線を、第２の実施形態として説明した図５に示す固定子２３の巻線として用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明は、小型高効率で低振動低騒音性が要求される、コンプレッサ用、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の同期電動機に利用可能である。
【符号の説明】
【０１５８】
１  同期電動機
２  回転子
３  固定子
４  回転子コア
５  永久磁石
７  固定子ティース
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ａ’、８ｂ’、８ｃ’  固定子ティース組
１０、１１、１１’  磁極間
【図１】
2011016235.tif 000003
【図２】
2011016235.tif 000004
【図３】
2011016235.tif 000005
【図４】
2011016235.tif 000006
【図５】
2011016235.tif 000007
【図６】
2011016235.tif 000008
【図７】
2011016235.tif 000009
【図８】
2011016235.tif 000010
【図９】
2011016235.tif 000011
【図１０】
2011016235.tif 000012
【図１１】
2011016235.tif 000013
【図１２】
2011016235.tif 000014
【図１３】
2011016235.tif 000015
【図１４】
2011016235.tif 000016
【図１５】
2011016235.tif 000017
【図１６】
2011016235.tif 000018
【図１７】
2011016235.tif 000019
【図１８】
2011016235.tif 000020
【図１９】
2011016235.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月21日(2011.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、
前記複数の固定子ティースは、それぞれ周方向に並ぶ所定個数の固定子ティース単位で、複数の固定子ティース組を構成し、当該複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、
前記所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、
前記所定個数の固定子ティースのそれぞれにおいて、固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する少なくとも一方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に、ひとつの相の巻線を構成するメイン巻線がそれぞれ巻回されており、
前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつにおいて、前記固定子ヨーク部分に、前記メイン巻線に加えて、前記相とは異なる相の巻線を構成するサブ巻線がさらに巻回されており、
前記サブ巻線は、当該サブ巻線を含む前記固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる他のメイン巻線に直列に結線されており、
各巻線に加えられた交流電流によって各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとのタイミングずれを補償する巻数及び向きで巻回されている
ことを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
前記固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組は、当該固定子ティース組に隣接する固定子ティース組であること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項３】
各固定子ティース組において、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくとも二つには、これらに対応づけてサブ巻線が巻回されており、
前記ひとつの相の巻線は、固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するメイン巻線全てと、当該固定子ティース組からみて電気角で進んだ位置にある固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するサブ巻線と、前記固定子ティース組からみて電気角で遅れた位置にある固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するサブ巻線とを直列に結線して構成されていること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項４】
各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの第１の固定子ティースに対応づけてメイン巻線のみが巻回され、これに隣接する第２の固定子ティースに対応づけてメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
前記第１の固定子ティースと前記回転子の磁極とが所定の位置関係になったときに当該第１の固定子ティースから生じる磁界が最大となり、前記回転子が回転して前記第２の固定子ティースと前記回転子の磁極とが前記所定の位置関係と同一の位置関係になったときに当該第２の固定子ティースから生じる磁界が最大となるように、前記第２の固定子ティースに対応づけて巻回されているメイン巻線およびサブ巻線の巻線比率が定められていること
を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項５】
各固定子ティース組において、前記第１の固定子ティースに生じる磁界の最大値と前記第２の固定子ティースに生じる磁界の最大値とが同じになるように、前記第１の固定子ティースに対応づけられているメイン巻線および前記第２の固定子ティースに対応づけられているメイン巻線及びサブ巻線のそれぞれの巻数が定められていること
を特徴とする請求項４に記載の同期電動機。
【請求項６】
磁極の数をＡ（但し、Ａは２以上の偶数）、固定子ティースの数をＢ（但し、ＢはＡと等しくない３の倍数）とし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐとなり、
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを定義し、
同相の巻線が、隣接する６個の固定子ヨーク部分それぞれに１個づつ巻回され、前記６個の巻線が直列に接続されており、その巻線の巻数の比率を順に＋Ｎ１、−Ｎ２、＋Ｎ３、−Ｎ３、＋Ｎ２、−Ｎ１としたとき（但し、＋Ｎｎ（ｎは１、２、３のいずれか）と、−Ｎｎとは、巻数が同じで巻回する向きが逆である）、
Ｎ１は、ｓｉｎ（α）にほぼ等しく、
Ｎ２は、ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（π／３−α）にほぼ等しく、
Ｎ３は、ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）にほぼ等しいこと
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項７】
前記回転子は、前記固定子を中心にその外周を回転し、
前記複数の固定子ティースは、前記固定子ヨークの外周面から径方向外側に放射状に突出しており、
前記固定子ヨークからは、さらに、各固定子ティースが突出する径方向の内側に向けて、前記外側に突出する固定子ティースと同数の固定子ティースが前記固定子ヨーク内周面から突出しており、
前記同期電動機は、さらに、前記固定子の内周を回転する回転子を備える
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項８】
前記複数の固定子ティースのうち少なくとも１つは、前記回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子ティースの配置間隔だけずれていくスキュー配置が施されていること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項９】
前記同期電動機は永久磁石埋め込み型であること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項１０】
前記複数の固定子ヨーク部分は、３相のうちの１相の巻線を一芯状に集中巻された第１の固定子ヨーク部分と、３相のうちの２相の巻線を一芯状に集中巻された第２の固定子ヨーク部分とを含み、
第１の固定子ヨーク部分に隣接した第２の固定子ヨーク部分に巻回された複数の巻線のうちいずれか１つの巻線の相は、隣接する第１の固定子ヨーク部分の巻線と同じ相の巻線であること
を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項１１】
磁極の数をＡ、固定子ティースの数をＢとし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティース数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを用いて、
３相のうちいずれか１相の巻線又は３相のうちの２相の巻線を固定子ヨーク部分に一芯状に集中巻し、第１の固定子ヨーク部分の巻線の巻数をＮ１としたとき、第１の固定子ヨーク部分と隣接した第２の固定子ヨーク部分の巻線は、第１の相の巻線の巻数が、
（Ｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）にほぼ等しく、
他の相の巻線の巻数が、
（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）にほぼ等しいこと
を特徴とした請求項１０に記載の同期電動機。
【請求項１２】
第１の固定子ヨーク部分の巻線の巻数と、第２の固定子ヨーク部分における２種類の巻線の巻数の和とが等しいこと
を特徴とする請求項１０記載の同期電動機。
【請求項１３】
磁極の数をＡ、固定子ティースの数をＢとし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを用いて、
３相のうちいずれか２相の巻線を固定子ヨーク部分に一芯状に集中巻し、第１の相の巻線と第２の相の巻線の巻数比率が、
ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）とｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）との比にほぼ等しくなること
を特徴とした請求項１記載の同期電動機。
【請求項１４】
前記サブ巻線は、前記メイン巻線よりも巻数が少ない、請求項１記載の同期電動機。
【請求項１５】
同期電動機とその駆動装置により構成される同期電動機駆動システムであって、
前記同期電動機は、
周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、
前記複数の固定子ティースのそれぞれにおいて、固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する一方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に巻回された巻線と、当該固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する他方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に前記巻線の逆方向に巻回された巻線とが直列に結線された固定子巻線をさらに備え、
複数の固定子巻線は、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは２以上の整数）固定子巻線組を構成し、このように構成された複数の固定子巻線組は周方向に等間隔に並んでおり、
各固定子巻線組において、固定子巻線組に含まれる複数の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のうち１つの固定子巻線を構成する巻線が巻回された前記固定子ヨーク部分の少なくとも一方に、前記１つの固定子巻線に隣り合う固定子巻線を構成する巻線がさらに巻回されており、
前記駆動装置は、
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のそれぞれに、各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとのタイミングずれを補償する互いに異なる位相の電流を供給すること
を特徴とする同期電動機駆動システム。
【請求項１６】
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のそれぞれは、その一端はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続され、他端は当該固定子巻線を含む固定子巻線組とは異なる固定子巻き線組に含まれる他の固定子巻線に接続されている、
請求項１５に記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１７】
前記複数の固定子巻線組は、隣り合う固定子巻線組の間隔が電気角で２π／３ラジアンに相当する間隔となるように並んでおり、
前記他端は当該固定子巻線と電気角が２π／３ラジアンだけ異なる位置の他の固定子巻線に接続されており、
前記駆動装置は、
任意の固定子巻線組に含まれる任意の固定子巻線と、前記任意の固定子巻線組に隣り合う固定子巻線組に含まれる前記任意の固定子巻線に対応する固定子巻線とに、互いに２π／３ラジアンだけ異なる位相の電流を供給すること
を特徴とする請求項１６記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１８】
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線は、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには互いに逆極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、±２π／３ｍラジアンの範囲内で互いに位相が異なる電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１９】
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線は、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには同極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、π±２π／３ｍラジアンの範囲内で互いに位相が異なる電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２０】
各固定子巻線組は、第１、第２および第３の固定子巻線から構成され、
前記第１の固定子巻線は、前記第２の固定子巻線からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも進んだ位置に配され、
前記第３の固定子巻線は、前記第２の固定子巻線からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも遅れた位置に配されており、
前記第１、第２および第３の固定子巻線は、それぞれ独立した個別の外部端子に接続され、かつ、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには隣り合う固定子巻線が互いに逆極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記第１の固定子巻線に前記第２の固定子巻線に供給する電流よりも位相が遅れた電流を供給し、前記第３の固定子巻線に前記第２の固定子巻線に供給する電流よりも位相が進んだ電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２１】
前記第１の固定子巻線が配された位置は、前記第２の固定子巻線が配された位置からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも最大でπ／３ｍラジアンだけ進んでおり、
前記第３の固定子巻線が配された位置は、前記第２の固定子巻線が配された位置からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも最大でπ／３ｍラジアンだけ遅れており、
前記第１の固定子巻線に供給される電流の位相は、前記第２の固定子巻線に供給される電流の位相よりも最大でπ／３ｍラジアンだけ遅れており、
前記第３の固定子巻線に供給される電流の位相は、前記第２の固定子巻線に供給される電流の位相よりも最大でπ／３ｍラジアンだけ進んでいること
を特徴とする請求項２０記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２２】
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で等間隔に並んでいること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２３】
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続されていること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
［００２４］
回転子２は、回転子コア４および複数の永久磁石５を含み、永久磁石５は回転子コア４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５によって構成される磁極６は、固定子３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は２０極であり、機械角に対して電気角が１０倍の関係となっている。
［００２５］
固定子３は、環状の固定子ヨーク７Ｙ、固定子ヨーク７Ｙから半径方向に回転子２に向かって突出して成る１８個の固定子ティース７（７ａ、７ａｃ、７ａｂ・・・）及び固定子ヨーク７Ｙにおける隣接した固定子ティースに挟まれた部分（以下、固定子ヨーク部分という。）それぞれに巻回された固定子巻線（９１ａ、９１ｃ、９１ｂ、９３ｄ、９２ｅ・・・）を含む。固定子ヨーク部分に巻回された固定子巻線は、メイン巻線及びサブ巻線を含む。巻数の多い方をメイン巻線と称し、巻数の少ない方をサブ巻線と称している。
［００２６］
また、複数の固定子ティース７は、固定子の周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ａ’、８ｂ’、８ｃ’）を構成している。回転子２の周方向に並べられた磁極数は全部で２０極であり、固定子ティースの数は全部で１８となっており、半周当り１０／９でずれて配置されている。
［００２７］
図１において、反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース組８ａに対して、固定子ティース組８ｂは機械角で−６０°、電気角で＋２π／３ラジアンずれて配置されている。また、固定子ティース組８ａに対して、固定子ティース組８ｃは機械角で＋６０°、電気角で＋４π／３ラジアン（−２π／３ラジアン）ずれて配置されている。よって、固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃは互いに電気角で２π／３ラジアンの間隔の配置となる。なお、本実施形態の同期電動機は、固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃの組み合わせ
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月28日(2011.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機の巻線構成に関し、特に、トルク性能を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等に用いられる同期電動機には、小型軽量、高出力、低振動、低騒音、高効率の要請から、特に高トルクかつ低トルク脈動であることが求められる。
【０００３】
永久磁石を回転子鉄心の表面に配置した、いわゆる表面磁石型同期電動機の場合、永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が９０°であるとき、すなわち、回転子の磁極間と、固定子巻線が巻回された固定子ティースとが対向した位置関係でその固定子巻線に供給される電流が最大になるとき、永久磁石によるトルク（マグネットトルク）が最大となる。永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が９０°からずれるとトルクは減少する。
【０００４】
また、永久磁石を鉄心の内部に配置した、いわゆる永久磁石埋込み型同期電動機の場合、永久磁石によるマグネットトルクに加え、回転子と固定子の位置による磁気抵抗の差による突極性に基づくリラクタンストルクが発生する。リラクタンストルクは、永久磁石による界磁と電機子電流との位相差が４５°近傍であるときに最大となる。従って、永久磁石埋込み型同期電動機のトルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとを合わせたトルクとなり、界磁と電機子電流との位相差０°から４５°近傍で最大トルクとなる。
【０００５】
一般に同期電動機のトルクは、永久磁石による界磁の高調波成分の影響や、電機子電流の高調波成分の影響等に基づく脈動成分をもつ。そこでトルク脈動を低減するために、同じ位相の電流が流れる固定子巻線の配置間隔（角度）を回転子の磁極間隔（角度）から機械的にずらす技術がある。このようにすると、互いの固定子巻線に生じるトルク脈動の位相がずれ、トルク脈動を打消すことができ、その結果、低振動、低騒音を実現することができる。低振動、低騒音の実現に関して下記の技術が開示されている。
【０００６】
特許文献１は、環状のヨーク部の内側ティース部と、外側ティース部に、トロイダル巻きを施した複数のコイル部と、前記内側ティース部に対応する内側ロータと、前記外側ティース部に対応する外側ロータとを備えて構成された電動機であって、外側ロータと内側ロータの極の変わり目を任意の角度にずらして取り付けていることで低振動な電動機を開示している。
【０００７】
また、特許文献２は、外側ロータ部の磁気突極部と内側ロータ部の磁気突極部とを周方向同位置とし、内周側スロット部と外周側スロット部とを周方向同位置とすることにより、固定子の外周側ティースと内周側ティースとに働く磁気突極部との間の電磁力の径方向成分は相殺されるため、その周期変動による振動が減ることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２０９１９９号公報
【特許文献２】特開２００１−２６８８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の通り、回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で配置された固定子ティースに、それぞれ固定子巻線を巻回し、これらの固定子巻線に同じ位相の電流を供給することとした場合、各固定子ティースから生じるトルク脈動の位相をずらすことができ、その結果、全体としてのトルク脈動を低減することができる。
【００１０】
しかしながら、上記構成では、ある固定子ティースが回転子の磁極との関係で最大トルクを生みだす位置にあるとき、その固定子ティースから回転子の磁極間隔と異なる間隔で配置された固定子ティースは、最大トルクを生みだす位置からずれた位置にあることとなり、最大トルクを生みだすことができない。すなわち従来の技術では、トルク脈動を低減しようとすると全体のトルクが減少してしまうという課題がある。
【００１１】
そこで本発明は、上記課題に鑑み、トルク脈動を低減しつつ、トルクの減少を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る同期電動機は、周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、前記複数の固定子ティースは、周方向に並ぶ所定個数単位で固定子ティース組を構成し、当該構成された複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、各固定子ティース組において、固定子ティース組に含まれる所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、前記所定個数の固定子ティースそれぞれに対応づけて、当該固定子ティースと、隣接する両固定子ティースに挟まれた両固定子ヨーク部分の少なくとも一方にひとつの相の巻線を構成するメイン巻線が巻回されており、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつについては、当該固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれるメイン巻線に直列に結線されて前記相とは異なる相の巻線を構成するサブ巻線が前記固定子ヨーク部分にさらに巻回されており、前記全ての巻線それぞれに三相交流電流のいずれかが加えられることにより各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとの磁極の配置間隔と固定子ティースの配置間隔との相違に起因するタイミングずれを補償する巻数及び向きで巻回されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の同期電動機によれば、以下のような効果を得ることができる。
上記構成では、各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースは回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並んでいるので、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。
【００１４】
また、上記構成によれば、ひとつの固定子ティースに対応づけて巻回されたメイン巻線およびサブ巻線は、それぞれ異なる相の巻線の一部分となる。そのため、当該固定子ティースに生じる磁界は、メイン巻線に基づく磁界とサブ巻線に基づく磁界とをベクトル合成したものとなる。このベクトル合成により得られる磁界の大きさおよび位相は、メイン巻線およびサブ巻線の巻数を調整することにより任意に調整することができる。したがって、固定子ティースが回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で配置されていても、何れの固定子ティースも最大トルクを生みださせることができ、その結果、全体としてのトルクを高めることができる。
【００１５】
なお、上記構成では、メイン巻線およびサブ巻線に集中巻が採用されているので、分布巻を採用した同期電動機に比べてコイルエンド部を低く、かつ、巻線の配線長を短くすることができる。したがって、小型で高効率な同期電動機を実現することができる。
【００１６】
また、本発明の同期電動機駆動システムは、同期電動機とその駆動装置により構成される同期電動機駆動システムであって、前記同期電動機は、周方向に等間隔に配設された複数の磁極を含む回転子と、環状の固定子ヨークから前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが突出し、当該固定子ティースと、隣接する両固定子ティースに挟まれた両固定子ヨーク部分に当該固定子ティースに対応する固定子巻線が分けて巻回された固定子とを備え、前記複数の固定子巻線は、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは２以上の整数）固定子巻線組を構成し、このように構成された複数の固定子巻線組は周方向に等間隔に並んでおり、各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されており、前記駆動装置は、前記複数の固定子巻線に電流を供給するにあたり、各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、それぞれが個別に接続された外部端子を通じて、各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとの磁極の配置間隔と固定子ティースの配置間隔との相違に起因するタイミングずれを補償する互いに異なる位相の電流を供給する。
【００１７】
上記構成では、前記一対の固定子巻線は回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並んでいるので、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。さらに前記一対の固定子巻線はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続されており、これらの固定子巻線には互いに位相が異なる電流が供給される。すなわち回転子の磁極による界磁と固定子巻線に供給される電機子電流との位相差を個別に制御することが可能である。これらよりトルクの減少を抑えつつトルク脈動を低減することができる。
【００１８】
なお上記構成では固定子巻線に集中巻を採用しているので、分布巻を採用した同期電動機に比べてコイルエンド部を低く、かつ、巻線の配線長を短くすることができる。したがって小型で高効率な同期電動機を実現することができる。
【００１９】
また、上記構成によれば、磁極の数と固定子ティースの数の組み合わせの自由度が高くなる。例えば、２０極であれば、一般的に３０ティースであるが、磁極数に対して固定子ティース数を小さくした、例えば、２０極１８ティースの組み合わせが成立し、極数の割りにティース数を少なくでき、電動機の小型化に有効であり、また巻線の工数を低減できる。
【００２０】
なお、上記構成では、第１の巻線および第２の巻線は何れも固定子ヨーク部分に集中巻に巻回されているので、分布巻を採用した同期電動機に比べてコイルエンド部を低く、かつ、巻線の配線長を短くすることができる。したがって、小型で高効率な同期電動機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の平面図
【図２】第１の実施形態に係る同期電動機の平面図
【図３】第１の実施形態に係る固定子ティースに巻回されている固定子巻線の構成を示す概念図
【図４】第１の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図
【図５】第２の実施形態に係る同期電動機の平面図
【図６】第２の実施形態に係る同期電動機の巻線構成模式図
【図７】第３の実施形態に係る同期電動機の平面図
【図８】第３の実施形態に係る同期電動機の巻線構成図
【図９】第３の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図
【図１０】従来の同期電動機の詳細図
【図１１】トルクの時間変化を示す図
【図１２】第４の実施形態に係る同期電動機の平面図
【図１３】第４の実施形態に係る同期電動機の巻線構成模式図
【図１４】第４の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相をベクトルで表したベクトル図
【図１５】第５の実施形態に係る同期電動機の詳細図
【図１６】第５の実施形態に係る同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図
【図１７】第５の実施形態に係る固定子と回転子の位置関係を示す図
【図１８】第５の実施形態に係る各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図
【図１９】第５の実施形態に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
１．第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の平面図、図２は、図１の同期電動機の詳細図である。同期電動機１は、回転子が固定子の外周側に配置された、いわゆるアウターロータ型の同期電動機であり、回転子２及び固定子３から構成される。
【００２３】
回転子２は、回転子コア４および複数の永久磁石５を含み、永久磁石５は回転子コア４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５によって構成される磁極６は、固定子３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は２０極であり、機械角に対して電気角が１０倍の関係となっている。
【００２４】
固定子３は、環状の固定子ヨーク７Ｙ、固定子ヨーク７Ｙから半径方向に回転子２に向かって突出して成る１８個の固定子ティース７（７ａ、７ａｃ、７ａｂ・・・）及び固定子ヨーク７Ｙにおける隣接した固定子ティースに挟まれた部分（以下、固定子ヨーク部分という。）それぞれに巻回された固定子巻線（９１ａ、９１ｃ、９１ｂ、９３ｄ、９２ｅ・・・）を含む。固定子ヨーク部分に巻回された固定子巻線は、メイン巻線及びサブ巻線を含む。巻数の多い方をメイン巻線と称し、巻数の少ない方をサブ巻線と称している。
【００２５】
また、複数の固定子ティース７は、固定子の周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組８（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ａ’、８ｂ’、８ｃ’）を構成している。回転子２の周方向に並べられた磁極数は全部で２０極であり、固定子ティースの数は全部で１８となっており、半周当り１０／９でずれて配置されている。
【００２６】
図１において、反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース組８ａに対して、固定子ティース組８ｂは機械角で−６０°、電気角で＋２π／３ラジアンずれて配置されている。また、固定子ティース組８ａに対して、固定子ティース組８ｃは機械角で＋６０°、電気角で＋４π／３ラジアン（−２π／３ラジアン）ずれて配置されている。よって、固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃは互いに電気角で２π／３ラジアンの間隔の配置となる。なお、本実施形態の同期電動機は、固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃの組み合わせが周方向に２組、（固定子ティース組８ａ’、固定子ティース組８ｂ’、固定子ティース組８ｃ’）繰り替えされた配置となる。
【００２７】
次に、図２を用いて、固定子ティース組８ａの構成を詳細に述べる。
図２に示すように、固定子ティース組８ａは、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース７ａと、これに隣接する固定子ティース７ａｂ，７ａｃとから構成されている。反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース７ａｂは、固定子ティース７ａからみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン遅れた位置に配置されており、固定子ティース７ａｃは、固定子ティース７ａからみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン進んだ位置に配置されている。
【００２８】
図３は、固定子ティースに巻回されている固定子巻線の構成を示す概念図である。
同期電動機１は、三相交流電源を１個用いてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相で駆動され、各固定子巻線には、３相の電流のいずれかが流されることになる。以下、第１の相（Ｕ相）の電流が流される固定子巻線をＵ相巻線、第２の相（Ｖ相）の電流が流される固定子巻線をＶ相巻線、第３の相（Ｗ相）の電流が流される固定子巻線をＷ相巻線ということがある。
【００２９】
図３に示すように、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティースには、同相の電流が流される固定子巻線が両隣の固定子ヨーク部分に巻回されている。そして、これに隣接する固定子ティースには、両隣の固定子ヨーク部分の一方に基準の固定子ティースの固定子巻線と同相の電流が流される固定子巻線が巻回され、他方には異なる相の電流が流される固定子巻線が巻回されている。具体的には、回転子との位相関係を示す基準の固定子ティース７ａの左隣の固定子ヨーク部分には、Ｕ相巻線９１ａｂが巻回され、右隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ａｃが巻回されている。ここで、Ｕ相巻線９１ａｂとＵ相巻線９１ａｃを合わせてＵ相巻線９１ａという。
【００３０】
また、固定子ティース７ａｂの右隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ｂが巻回され、左隣の固定子ヨーク部分にはＶ相巻線９２ｅが巻回されている。固定子ティース７ａｃの左隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ｃが巻回され、右隣の固定ヨーク部分にはＷ相巻線９３ｄが巻回されている。また、固定子ティース７ｂａの右隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ｄが巻回され、左隣の固定ヨーク部分にはＶ相巻線９２ｃが巻回されている。また、固定子ティース７ｃａの左隣の固定子ヨーク部分にはＵ相巻線９１ｅが巻回され、右隣の固定ヨーク部分にはＷ相巻線９３ｂが巻回されている。各巻線の巻数及び巻回方向については後述する。
【００３１】
固定子ティース組８ａに含まれるＵ相巻線９１ａ，９１ｂ，９１ｃと、固定子ティース組８ｂに含まれるＵ相巻線９１ｄと、固定子ティース組８ｃに含まれるＵ相巻線９１ｅとが、直列に結線され１つのＵ相巻線９１を構成している。ここで、Ｕ相巻線９１ａ，９１ｂ，９１ｃは、メイン巻線であり、Ｕ相巻線９１ｄ、９１ｅはサブ巻線である。Ｕ相巻線９１の端部２１ａはＵ相の入力端子に接続され、Ｕ相巻線９１の端部２１ｎは中性点に接続される。なお、便宜上「直列に結線」と表現しているが、固定子ティース毎に線材を個別に巻回して事後的に接続することに限らず、一本の線材を連続的に各固定子ティースに巻回して構成することも含むものとする。
【００３２】
Ｕ相巻線９１と同様に、Ｖ相巻線９２は、固定子ティース組８ｂに含まれるＶ相巻線（固定子ティース７ｂの左隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線（９２ａｂ）及び右隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線、固定子ティース７ｂの右側の固定子ティースの右隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線、固定子ティース７ｂの左側の固定子ティース（７ｂａ）の左隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線（９２ｃ））と、固定子ティース組８ｃ’に含まれるＶ相巻線と、固定子ティース組８ａに含まれるＶ相巻線（９２ｅ）とを直列に結線して構成されている。Ｖ相巻線９２の一方の端部２２ａはＶ相の入力端子に接続され、Ｖ相巻線９２の他方の端部は中性点に接続される。
【００３３】
同様に、Ｗ相巻線９３は、固定子ティース組８ｃに含まれるＷ相巻線（固定子ティース７ｃの左隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線及び右隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線（９３ａｃ）、固定子ティース７ｃの右側の固定子ティース（７ｃａ）の右隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線（９３ｂ）、固定子ティース７ｃの左側の固定子ティースの左隣の固定子ヨーク部分に巻回された巻線）と、固定子ティース組８ｂ’に含まれるＷ相巻線と、固定子ティース組８ａに含まれるＷ相巻線（９３ｄ）とを直列に結線して構成されている。Ｗ相巻線９３の一方の端部はＷ相の入力端子に接続され、固定子巻線９３の他方の端部（２３ｎ）は中性点に接続される。
【００３４】
同期電動機１では、固定子巻線９１，９２，９３の組み合わせが周方向に２組繰り返された配置となる。
１．１．固定子ティースに生じる磁界
図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図である。図２、図３及び図４を用いて固定子ティースに生じる磁界について説明する。
【００３５】
同期電動機１は三相同期電動機であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の位相差は電気角で２π／３ラジアンである。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａに係るＵ相巻線９１（９１ａ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４にＨ２で示す。Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａｂに係るＵ相巻線９１（９１ｂ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４に−Ｕ２で示し、固定子ティース７ａｂに係るＶ相巻線９２（９２ｅ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４にＶ３で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図４にＨ１で示す。また、Ｕ相の電流が最大値のとき、固定子ティース７ａｃのＵ相の巻線９１（９１ｃ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４に−Ｕ２で示し、固定子ティース７ａｃのＷ相の巻線９３（９３ｄ）に流れる電流により生じる磁界のベクトルを図４のＷ３で示す。これらを合成して得られる磁界のベクトルを図４にＨ３で示す。
【００３６】
図２において、固定子ティース７ａからみて固定子ティース７ａｂは、電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン遅れた位置にある。このような位置関係にある固定子ティース７ａｂに、磁界Ｈ２に対して電気角でπラジアンからπ／９ラジアンだけ進んだ磁界Ｈ１が生じるので、固定子ティース７ａｂの軸と回転子の磁極間１１とが一致したときに固定子ティース７ａｂに最大の磁界を生じさせると共に、固定子ティース７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース７に最大の磁界を生じさせることができる。
【００３７】
また、図２において、固定子ティース７ａからみて固定子ティース７ａｃは、電気角でπラジアンずれた位置からπ／９ラジアン進んだ位置にある。このような位置関係にある固定子ティース７ａｃに、磁界Ｈ２に対して電気角でπラジアンからπ／９ラジアンだけ遅れた磁界Ｈ３が生じるので、固定子ティース７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース７ａに最大の磁界を生じさせると共に、固定子ティース７ａｃの軸と回転子の磁極間１１’とが一致したときに固定子ティース７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。
【００３８】
このように本実施形態では、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
【００３９】
１．２．巻数の詳細説明
上記の磁界を発生するための各巻線の巻数、巻回方向の一例について図３及び図４を用いて説明する。
【００４０】
固定子ティース７ａにＵ相磁界Ｈ２を発生するためのＵ相巻線９１ａｂの巻数を＋Ｕｎ１とし、Ｕ相巻線９１ａｃの巻数を−Ｕｎ１とする。ここで、巻数に＋／−の符号を付しているが、＋は固定子ヨーク部に時計方向の磁界を発生する巻方向（以下、＋方向という。）で巻回していることを表し、−はヨーク部に反時計方向の磁界を発生する巻方向（以下、−方向という。）に巻回していることを表す。＋Ｕｎ１と−Ｕｎ１とは、巻回方向が逆であるが、巻数自体はＵｎ１で等しい。
【００４１】
固定子ティース７ａｂについては、Ｕ相磁界−Ｕ２とＶ相磁界＋Ｖ３とを合成した磁界を発生させることで、固定子ティース７ａｂの軸と回転子の磁極間とが一致したときに固定子ティース７ａｂに最大の磁界を生じさせることができる。具体的には、固定子ティース７ａｂにＵ相磁界−Ｕ２を発生するためのＵ相巻線９１ａｃの巻数を−Ｕｎ２とし、Ｕ相巻線９１ｂの巻数を＋Ｕｎ２とする。固定子ティース７ａｂにＶ相磁界＋Ｖ３を発生するためのＶ相巻線９２ｅの巻数を＋Ｖｎ３とし、Ｖ相巻線９２ｃの巻数を−Ｖｎ３とする。
【００４２】
また、固定子ティース７ａｃについては、Ｕ相磁界−Ｕ２とＷ相磁界＋Ｗ３とを合成した磁界を発生させることで、固定子ティース７ａｃの軸と回転子の磁極間とが一致したときに固定子ティース７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。固定子ティース７ａｃにＵ相磁界−Ｕ２を発生するためのＵ相巻線９１ｃの巻数を−Ｕｎ２とし、Ｕ相巻線９１ａｂの巻数を＋Ｕｎ２する。固定子ティース７ａｃにＷ相磁界＋Ｗ３を発生するためのＷ相巻線９３ｂの巻数を＋Ｗｎ３とし、Ｗ相巻線９３ｄの巻数を−Ｗｎ３とする。
【００４３】
また、固定子ティース７ｃａについては、Ｕ相磁界＋Ｕ３とＷ相磁界−Ｗ２とを合成した磁界を発生させることで、固定子ティース７ｃａの軸と回転子の磁極間とが一致したときに固定子ティース７ｃａに最大の磁界を生じさせることができる。固定子ティース７ｃａにＵ相磁界＋Ｕ３を発生するためのＵ相巻線９１ｅの巻数を＋Ｕｎ３とし、Ｕ相巻数９１ｃを−Ｕｎ３とする。固定子ティース７ｃａにＷ相磁界−Ｗ２を発生するためのＷ相巻線９３ａｃの巻数を−Ｗｎ２とし、Ｗ相巻線９３ｂの巻数を＋Ｗｎ２する。
【００４４】
また、固定子ティース７ｂａについては、Ｕ相磁界＋Ｕ３とＶ相磁界−Ｖ２とを合成した磁界を発生させることで、固定子ティース７ｂａの軸と回転子の磁極間とが一致したときに固定子ティース７ｂａに最大の磁界を生じさせることができる。固定子ティース７ｂａにＵ相磁界＋Ｕ３を発生するためのＵ相巻線９１ｂの巻数を＋Ｕｎ３とし、Ｕ相巻数９１ｄを−Ｕｎ３とする。固定子ティース７ｂａにＶ相磁界−Ｖ２を発生するためのＶ相巻線９２ｃの巻数を−Ｖｎ２とし、Ｖ相巻線９２ａｂの巻数を＋Ｖｎ２する。
【００４５】
ここで、上記の巻線においてＵ相巻線に着目すると、巻線９１ｅの巻数は＋Ｕｎ３であり、巻線９１ｃの巻数は−Ｕｎ２と−Ｕｎ３の和であり、巻線９１ａｂの巻数は＋Ｕｎ１と＋Ｕｎ２の和である。また、巻線９１ａｃの巻数は−Ｕｎ１と−Ｕｎ２の和であり、巻線９１ｂの巻数は＋Ｕｎ２と＋Ｕｎ３との和であり、巻線９１ｄの巻数は−Ｕｎ３である。
【００４６】
また、本実施の形態では、磁極の数は２０であり、固定子ティースの数は１８であり、磁極対数は２０／２＝１０である。１相当りの固定子ティースの数は、１８／３＝６であり、３の倍数である。よって、巻線比係数αは以下の式で計算できる。
【００４７】
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
＝｜２π／２０−２π／１８｜×１０
＝π／９ラジアン
また、Ｕｎ２とＵｎ１の関係、及びＶｎ３とＶｎ１の関係は、以下の通りである。
【００４８】
Ｕｎ２＝（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）
＝（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（２π／９）／ｓｉｎ（π／３）
Ｖｎ３＝（Ｖｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
＝（Ｖｎ１）×ｓｉｎ（π／９）／ｓｉｎ（π／３）
図４に示す通り、以上の巻数でベクトル合成された固定子ティース７ａｂに発生する磁界は、固定子ティース７ａで示したＵ相に対して反転した（πラジアンずれた）−Ｕ相に対してπ／９ラジアン進んだ位相の電流のみを通電したことで固定子ティース７ａｂに発生する磁界と等価となる。
【００４９】
ここで、比例係数をＫ＝（Ｕｎ１）／ｓｉｎ（π／３）とすると、Ｕ相巻線９１ｅの巻数は＋Ｕｎ３であり、下式が成り立つ。
＋Ｕｎ３  ＝  （Ｕｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
＝｛（Ｕｎ１）／ｓｉｎ（π／３）｝×ｓｉｎ（α）
＝  ｛ｓｉｎ（α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ｃの巻数は−Ｕｎ３−Ｕｎ２であり、下式が成り立つ。
【００５０】
−Ｕｎ３−Ｕｎ２  ＝  −（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）
−（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）
＝  −｛（Ｕｎ１）／ｓｉｎ（π／３）｝｛ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝
＝  −｛ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ａｂの巻数は、＋Ｕｎ２＋Ｕｎ１であり、下式が成り立つ。
【００５１】
＋Ｕｎ２＋Ｕｎ１＝（Ｕｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）＋（Ｕｎ１）
＝（Ｕｎ１）×｛１＋ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）｝
＝｛（Ｕｎ１）／ｓｉｎ（π／３）｝×｛１×ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝
＝｛ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ａｃの巻数は、−Ｕｎ１−Ｕｎ２であり、下式が成り立つ。
【００５２】
−Ｕｎ１−Ｕｎ２  ＝  −｛ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ｂの巻数は、＋Ｕｎ２＋Ｕｎ３であり、下式が成り立つ。
＋Ｕｎ２＋Ｕｎ３  ＝  ｛ｓｉｎ（π／３−α）＋ｓｉｎ（α）｝×Ｋ
また、Ｕ相巻線９１ｄの巻数は、−Ｕｎ３であり、下式が成り立つ。
【００５３】
−Ｕｎ３  ＝  −｛ｓｉｎ（α）｝×Ｋ
ここで、Ｕ相巻線９１ｅ、９１ｃ、９１ａｂ、９１ａｃ、９１ｂ、９１ｄの巻数をそれぞれ＋Ｎ１、−Ｎ２、＋Ｎ３、−Ｎ３、＋Ｎ２、−Ｎ１とし、α＝π／９ラジアン、Ｋ＝１００とした場合、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３の具体的な値は下記のようになる。
【００５４】
Ｎ１＝｛ｓｉｎ（α）｝×１００≒３４（ターン）
Ｎ２＝｛ｓｉｎ（π／３−α）＋ｓｉｎ（α）｝×１００≒９８（ターン）
Ｎ３＝｛ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）｝×１００≒１５１（ターン）
なお、上記の式では、右辺と左辺とがほぼ等しいことを示す記号（≒）を用いているが、これは実際には完全に一致させることが困難な場合が多いためである。上記の記号は、右辺が小数になる場合にはその小数に近い整数を採用する程度の一致を含み、さらには、設計上誤差として無視できる程度の一致を含むこととする。Ｕ相の場合と同様に、Ｕ相に対して各々２π／３ラジアンずれた位置に配置したＶ相、Ｗ相についても巻数を決定できる。固定子ヨーク部分に巻回された巻線の巻数は上記３相の内２種類の巻線で構成され（Ｎ１＋Ｎ３）ターン、（Ｎ２＋Ｎ２）ターン、（Ｎ３＋Ｎ１）ターンが繰り返されることになる。
【００５５】
また、本実施形態では、固定子ヨーク部分に固定子巻線を巻回するのに集中巻を採用している。そのため、固定子の端面の巻線いわゆるコイルエンドの小型化が図れ、同期電動機の小型化ができる。また、巻線のコイルエンドは、電流を流してもトルクに寄与しない部分であり、通電時の巻線抵抗によるジュール損である銅損を低下することができ高効率である。
【００５６】
また、本実施形態では、回転子が固定子の外周側に配置された、いわゆるアウターロータ型を採用している。そのため、同じ体積で比較した場合、回転子が固定子の内周側に配置されたインナーロータ型に比べて、回転子径を大きくすることができる。したがって、本実施形態のような極数が２０となるような同期電動機でも、永久磁石の大きさを小さくする必要がないので有効磁束の低下を防ぐことができる。
【００５７】
また、本実施形態では、回転子磁極の数が２０個、固定子ティースの数が１８個の同期電動機について説明しているが、固定子ティースが９個や２７個といった９の倍数に対して、回転子の磁極数が１０の倍数の組み合わせ、すなわち１０ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）の組み合わせであれば、電気角で上記の関係が成立する配置関係とすることで同様の効果が得られる。
【００５８】
また、固定子ティースおよび回転子の磁極のいずれか、または両者を回転軸方向で旋回した構成とすることで、磁束変化がより滑らかになり、さらなる低振動な同期電動機とすることができる。
【００５９】
また、固定子の磁性材を圧粉鉄心材や、薄板の磁性材や、アモルファス磁性材を用いることで鉄損を大幅に低減することができ、より高効率な同期電動機とすることができる。
また、１極を構成する永久磁石を複数個で構成することにより永久磁石に発生する渦電流損を低減でき、より高効率な同期電動機とすることができる。
【００６０】
また、巻線の複数の細い径の巻線や、扁平な平角線とすることで巻線の表面積を拡大し、高周波駆動時の表皮効果を低減して高効率な同期電動機とすることができる。
２．第２の実施形態
本実施形態が第１の実施形態と異なるのは、回転子が固定子の外周側だけでなく内周側にも配置され、それに伴い、固定子が、固定子ティースを固定子外径側だけでなく固定子内径側に備えている点である。
【００６１】
図５は、本実施形態に係る同期電動機の平面図である。
図６は、本実施形態に係る同期電動機の巻線構成模式図である。
同期電動機３３は、回転子２Ａ、２Ｂおよび固定子２３から構成される。
【００６２】
固定子２３の外側の回転子２Ａは、回転子コア４Ａおよび２０個の永久磁石５Ａを含み、永久磁石５Ａは回転子コア４Ａに回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５Ａによって構成されるＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対は電気角で２πラジアンとなり、図５に破線で示した隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンである。同様に、固定子２３の内側の回転子２Ｂは、回転子コア４Ｂおよび２０個の永久磁石５Ｂを含み、永久磁石５Ｂは回転子コア４Ｂに回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５Ｂによって構成されるＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対は電気角で２πラジアンとなり、図５に破線で示した隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンである。
【００６３】
巻線に関しては、第１の実施形態と同様である。
以上の構成によれば、固定子ティースが固定子外径側だけでなく、固定子内径側にもあり、固定子ヨークの巻線に通電して発生する磁束が、固定子の外径側の回転子と内径の回転子に流れる。固定子の外周と内周に回転子を用いたので、巻線の利用率も高く、高トルクな同期電動機を容易に実現できる。
【００６４】
３．第３の実施形態
本実施形態は、第１の実施形態と巻線の巻数および結線が異なる。
巻線については、隣接する２つの固定子ヨーク部分それぞれに２種類ずつ固定子巻線を巻回し、この連続する２つの固定子ヨーク部分の両隣の固定子ヨーク部分それぞれには１種類の固定子巻線を巻回した構成としている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６５】
３．１．構成
図７は、本実施形態に係る同期電動機の平面図、図８は、同期電動機の巻線構成図、図９は、磁界の大きさおよび位相を示すベクトル図である。
【００６６】
同期電動機５１は回転子２、および固定子１３から構成される。
回転子２については第１の実施形態と同じであり、固定子１３についても固定子巻線の構成以外は第１の実施形態と同じである。
【００６７】
図８において、Ｕ相巻線１８６が固定子ティース７ａに対応づけて＋方向に巻回されている。
Ｕ相巻線１８７は、固定子ティース７ａｂの右隣の固定子ヨーク部分に−方向に巻回され、Ｕ相巻線１８５は、固定子ティース７ａｃの右隣の固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。さらに、Ｕ相巻線１８９が固定子ティース７ｂａの右隣の固定子ヨーク部分に＋方向に巻回されており、Ｕ相巻線１８３が固定子ティース７ｃａの右隣の固定子ヨーク部分に＋方向に巻回されている。
【００６８】
Ｕ相巻線について、巻線１８６は、固定子ヨーク部分に１種だけ巻回されており、他の巻線については、巻回されている固定子ヨーク部分に他種の巻線と共に巻回されている。
Ｖ相巻線１８８、１９０、１９１、１９２、１９４についても、Ｖ相巻線１８８、１９１、１９４が各固定子ヨーク部分に＋方向に巻回され、Ｖ相巻線１９０、１９２が各固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。Ｖ相巻線についても、巻線１９１は、固定子ヨーク部分に１種だけ巻回されており、他の巻線については、巻回されている固定子ヨーク部分に他種の巻線と共に巻回されている。
【００６９】
また、Ｗ相巻線１７７、１７９、１８１、１８２、１８４についても、Ｗ相巻線１７７、１８１、１８４が各固定子ヨーク部分に＋方向に巻回され、Ｗ相巻線１７９、１８２が各固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。またＷ相巻線についても、Ｗ相巻線１８１は固定子ヨーク部分に１種だけ巻回されており、他の巻線については、巻回されている固定子ヨーク部分に他種の巻線と共に巻回されている。
【００７０】
例えば、図７に示すように、Ｗ相巻線１８２と、Ｕ相巻線１８３が同一の固定子ヨーク部分に巻回され、Ｗ相巻線１８４と、Ｕ相巻線１８５が同一の固定子ヨーク部分に巻回されている。Ｕ相巻線１８６は、単独で固定子ヨーク部分に巻回されており、Ｕ相巻線１８７と、Ｖ相巻線１８８が同一の固定子ヨーク部分に巻回され、Ｕ相巻線１８９と、Ｖ相巻線１９０とが同固定子ヨーク部分に巻回されている。
【００７１】
３．２．発生磁界
以下、上述のように巻回された巻線構成によって各固定子ティースに生じさせる磁界について説明する。なお、固定子ティースと回転子磁極との位置関係が理解しやすいように、固定子ヨーク部分の左隣に位置する固定子ティースの中央と、回転子磁極間の関係に着目している。また、回転子は、反時計方向に回転するものとする。
【００７２】
図７において、Ｕ相巻線１８６に対応する固定子ティース７ａと回転子磁極間とが対向している。このとき固定子ティース７ａは最大トルクを生み出し、このときのＵ相巻線１８６が生じさせる磁界を図９にＨ２として示している。
【００７３】
Ｕ相巻線１８７とＶ相巻線１８８が巻回された固定子ヨーク部分の左隣の固定子ティース７ａｂは、固定子ティース７ａと対向した磁極に対して、πラジアン＋π／９ラジアン進んでいる。図９では、Ｕ相巻線１８７による磁界−Ｕ２とＶ相巻線１８８による磁界Ｖ３を示すベクトルの合成ベクトルＨ１を、Ｕ相に対してπラジアン＋π／９ラジアン進んだ固定子ティース７ａｂに発生する磁界を示すベクトルとして表している。
【００７４】
同様に、Ｕ相巻線１８５とＷ相巻線１８４とが巻回された固定子ヨーク部分の左隣の固定子ティース７ａｃは、固定子ティース７ａと対向した磁極に対してπラジアン＋π／９ラジアン遅れている。これは、位相関係においてπラジアン−π／９ラジアン進んでいるのと等価である。図９では、Ｗ相巻線１８４による磁界Ｗ３と、Ｕ相巻線１８５による磁界−Ｕ２を示すベクトルの合成ベクトルＨ３を、Ｕ相に対してπラジアン−π／９ラジアン遅れた固定子ティース７ａｃに発生する磁界を示すベクトルとして表している。その他の固定子ヨーク部分に巻回された巻線による磁界（例えばＨ４、Ｈ５等）も同様である。このようなベクトルで表されるよう、巻数、巻方向を調整することで電流位相を各々トルクが最大となる位相に制御でき、高トルクかつ低振動な同期電動機を提供できる。
【００７５】
３．３．トルクの比較
次に、本実施形態の同期電動機から得られるトルクと、従来の同期電動機から得られるトルクとを比較する。図１０は、従来の同期電動機の詳細図である。従来の同期電動機は、本実施形態の同期電動機と巻線の構成が異なる。図１０に示すように、固定子ティース８７ａ，８７ａｂ，８７ａｃには、それぞれ巻線８９１ａ，８９１ｂ，８９１ｃが巻回され、これらは直列に結線されており、巻線の一方の端部２７ａはＵ相の入力端子に接続され、他方の端部２７ｎは中性点に接続される。各固定子ティースにはＵ相の巻線しか巻回されていないため、各固定子ティースに生じる磁界は同位相となる。すなわち固定子ティース８７ａの軸と回転子の磁極間１０とが一致したときに固定子ティース８７ａに最大の磁界を生じさせることとすれば、固定子ティース８７ａｂと回転子の磁極間１１とがずれたときに固定子ティース８７ａｂに最大の磁界が生じ、同様に固定子ティース８７ａｃと回転子の磁極間１１’とがずれたときに固定子ティース８７ａｃに最大の磁界が生じる。そのため固定子ティース８７ａが生み出すマグネットトルクについては最大とすることができるが、固定子ティース８７ａｂ，８７ａｃがそれぞれ生み出すマグネットトルクについては最大とすることができない。したがって、本実施形態に比べて、全体のトルクは低く、トルク脈動も大きい。
【００７６】
図１１は、トルクの時間変化を示す図である。
本実施形態の同期電動機から得られるトルク波形をＴ１で示し、従来の同期電動機から得られるトルク波形をＴ０で示す。トルクの大きさについては、本実施形態は従来に比べて１０５％高めることができた。また、平均トルクに対するトルク脈動の比であるトルク脈動率については、本実施形態は従来に比べて５．３％から０．５％まで大幅に低減させることができた。このように本実施形態によれば、従来トレードオフの関係と考えられていた高トルク化とトルク脈動の低減とを両立させることができた。
【００７７】
４．第４の実施形態
本実施形態は、１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）の同期電動機である点が第１の実施形態と異なる。
【００７８】
４．１．構成
図１２は、本実施形態に係る同期電動機の平面図であり、図１３は、本実施形態に係る同期電動機の巻線構成模式図である。
【００７９】
同期電動機４１は、回転子４２と固定子４３から構成される。
回転子４２は、回転子コア４４および１０個の永久磁石４５を含み、永久磁石４５は回転子コア４４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石４５によって構成される磁極４６は、固定子４３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は１０極であり、機械角に対して電気角が５倍の関係となっている。このように、磁極の個数が１０であり、固定子ティースの個数が１２であるため、固定子ティース４７は円周に沿って半円あたり５／６でずれて配置されている。なお、固定子ティース４７は、固定子ティース４７ａｂ、４７ａｃ、４７ｃａ、４７ｂａ、４７ｃｂ、４７ｂｃなど「固定子ティース４７＋添え字」で表したものを含めた固定子ティースの総称である。回転子磁極間４１０，４１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計回転方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を４１１、反時計回転方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を４１０と示している。
【００８０】
固定子４３は、回転子４２に対向配置されている複数の固定子ティース４７および各固定子ティース４７を挟む両隣の固定子ヨーク部分に集中巻に巻回されたメイン巻線およびサブ巻線を含む。
【００８１】
反時計回転方向を＋とした場合、固定子ティース４７ａｃが、回転子の磁極間４１０に対して電気角でπ／１２ラジアン進んだ位置に配置されるときに、固定子ティース４７ａｂは、回転子の磁極間４１１に対して電気角でπ／１２ラジアン遅れた位置に配置される。
【００８２】
また、固定子ティース４７ｂａは回転子磁極間４１１に対して２／３πラジアン進んだ位置４２２から電気角でさらにπ／１２ラジアン進んだ位置に配置され、固定子ティース４７ｂｃは位置４２２からみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／１２ラジアン遅れた位置に配置される。
【００８３】
また、固定子ティース４７ｃａは、回転子磁極間４１０に対して２／３πラジアン遅れた位置４２３から電気角でさらにπ／１２ラジアン遅れた位置に配置され、固定子ティース４７ｃｂは位置４２３からみて電気角でπラジアンずれた位置からπ／１２ラジアン進んだ位置に配置されている。
【００８４】
よって、固定子ティース４７ａｃと固定子ティース４７ａｂに対して、固定子ティース４７ｂａと固定子ティース４７ｂｃ、固定子ティース４７ｃｂと固定子ティース４７ｃａは、それぞれ電気角で２π／３ラジアンの等間隔で配置されている。
【００８５】
４．２．固定子ティース組の構成
次に、固定子ティース組の構成について説明する。１２個の固定子ティース４７は、周方向に並ぶ２個単位で固定子ティース組を構成している。ひとつの固定子ティース組のなかで回転子との位相関係を示す基準の固定子ティースは、メイン巻線の巻数が最も多い固定子ティースとする。例えば、固定子ティース４７ａｂ，４７ａｃから構成される固定子ティース組に着目すると、基準の固定子ティースは固定子ティース４７ａｂ，４７ａｃである。図１２に示すように、固定子ティース４７ａｃおよび固定子ティース４７ａｂのそれぞれが、磁極間隔であるπラジアンに対してπ／１２ラジアンずれて配置される。
【００８６】
４．３．固定子巻線の構成
固定子巻線の構成について説明する。
図１３は、固定子ティースに巻回されている固定子巻線の構成を示す概念図である。
【００８７】
図１３に示すように、Ｕ相巻線２００は、Ｕ相巻線２０１、２０２、２０３、２０４を直列に結線して構成されている。Ｕ相巻線２００の端部４２１ａはＵ相の入力端子に接続され、Ｕ相巻線２００の端部４２１ｎは中性点に接続される。
【００８８】
Ｕ相巻線２０１は、＋方向に巻回されている。Ｕ相巻線２０３は＋方向に巻回され、Ｕ相巻線２０２、２０４は−方向に巻回されている。
図１３中のＷ相巻線については、Ｗ相巻線２２３が、Ｕ相巻線２０１の巻回された固定子ヨーク部分に＋方向に巻回され、Ｗ相巻線２２４が、Ｕ相巻線２０２の巻回された固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。
【００８９】
図１３中のＶ相巻線については、Ｖ相巻線２１１が、Ｕ相巻線２０３の巻回された固定子ヨーク部分に＋方向に巻回され、Ｖ相巻線２１２が、Ｕ相巻線２０３の巻回された固定子ヨーク部分に−方向に巻回されている。
【００９０】
４．４．固定子ティースに生じる磁界
次に、これらの固定子ティースに生じる磁界について説明する。なお、回転子は、反時計方向に回転するものとする。
【００９１】
図１４は、磁界の大きさおよび位相をベクトルで表したベクトル図である。
固定子ティースと回転子磁極との位置関係が理解しやすいように、巻線が巻回された固定子ヨーク部分の右隣の固定子ティース中央と、回転子磁極間の関係に着目する。また、当該固定子ヨーク部分に巻かれた巻線が、当該右隣の固定子ティースに磁界を生じるものとする。
【００９２】
図１２の位置関係の場合、Ｕ相巻線２０２とＷ相巻線２２４とが巻回された固定子ヨーク部分の右隣の固定子ティース４７ａｂの中心は磁極間４１１に対してπ／１２ラジアン遅れた位置に配置されている。図１４では、固定子ティース４７ａｂに発生する磁界をＵ相巻線２０２による磁界−Ｕ１とＷ相巻線２２４による磁界Ｗ２を示すベクトルの合成ベクトルベクトルＨ１として示している。
【００９３】
同様に、図１２で、Ｕ相巻線２０３とＶ相巻線２１１とが巻回された固定子ヨーク部分の右隣の固定子ティース４７ａｃの中心は、磁極間４１０に対してπ／１２ラジアン進んだ位置に配置されている。図１４では、固定子ティース４７ａｃに発生する磁界をＵ相巻線２０３による磁界Ｕ１とＶ相巻線２１１による磁界−Ｖ２を示すベクトルの合成ベクトルをＨ２で示す。
【００９４】
このように、回転子と固定子の位置関係に適した磁界を構成することで、高トルクかつトルク脈動も低減でき滑らかな駆動を実現できる。
ここで、このベクトル図で表された磁界を発生する巻線の巻数について、具体例を挙げて説明する。磁極の数が１０、ティースの数が１２であり、電気角で２π／３ラジアン毎に配置された３種類の巻線のいずれか２種類の巻線を隣接したティース間の環状ヨーク部に一芯状に集中巻に巻回し、磁極対数が５、１相当りのティース数４であり、４＝３ｍ＋１のとき、巻数比係数αは以下の式で計算できる。
【００９５】
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２
＝｜２π／１０−２π／１２｜×５／２
＝π／１２  ラジアン
また、固定子ティース４７ａｂに対応するＵ相の巻線２０２の巻数をＮ１１２、固定子ティース４７ａｂに対応するＶ相の巻線２２４の巻数をＮ２１２とし、それらの巻線の巻数の和をＮ１とすると下式が成り立つ。
【００９６】
Ｎ１＝Ｎ１１２＋Ｎ２１２
Ｎ１１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ２１２≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／４）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース４７ａｂに生じる磁界Ｈ２は、Ｕ相に対して電気角でπ／１２ラジアン進んだ位相をもつこととなる。
【００９７】
また、固定子ティース４７ａｃに対応するＵ相の巻線２０３の巻数をＮ１１３、固定子ティース４７ａｃに対応するＷ相の巻線２１１の巻数をＮ３１３とし、それらの巻線の巻き数の和をＮ１とすると下式が成り立つ。
【００９８】
Ｎ１＝Ｎ１１３＋Ｎ３１３
Ｎ１１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
Ｎ３１３≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−π／１２）／ｓｉｎ（π／３）
≒（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／４）／ｓｉｎ（π／３）
各巻線の巻数をこのように調整すれば、固定子ティース４７ａｃに生じる磁界Ｈ１は、−Ｕ相に対して電気角でπ／１２ラジアン遅れた位相をもつこととなる。
【００９９】
図１２において、回転子磁極間４１０からみて固定子ティース４７ａｃは、電気角でπ／１２ラジアン進んだ位置にある。このような位置関係にある固定子ティース４７ａｃに、−Ｕ相からπ／１２ラジアンだけ遅れた磁界Ｈ１が生じるので、固定子ティース４７ａｃの軸と回転子の磁極間４１０とが一致したときに固定子ティース４７ａｃに最大の磁界を生じさせることができる。
【０１００】
また、図１２において、回転子磁極間４１１からみて固定子ティース４７ａｂは、電気角でπ／１２ラジアン遅れた位置にある。このような位置関係にある固定子ティース４７ａｂに、Ｕ相からπ／１２ラジアンだけ進んだ磁界Ｈ２が生じるので、固定子ティース４７ａｂの軸と回転子の磁極間４１１とが一致したときに固定子ティース４７ａｂに最大の磁界を生じさせることができる。
【０１０１】
このように本実施形態では、固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
【０１０２】
また、本実施例は１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）の構成であるが、２０極２４ティースでも同じ効果が得られる。１０ｑ極１２ｑティースでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が軸に対して対称な配置となるので、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期電動機が得られる。同様に２４極２７ティースでは、中性点接続された隣接したティースに巻回された４個の巻線が軸に対して機械角で９０°ごとの配置となるため、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。
【０１０３】
５．第５の実施形態
第１の実施形態と異なるのは、巻線及び供給する電流であり、この点を中心に説明する。第１の実施形態では、三相交流電源を１個用いＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相で駆動していたのに対し、本実施形態では、三相交流電源を３個用い、Ｕ１相、Ｕ２相、Ｕ３相、Ｖ１相、Ｖ２相、Ｖ３相、Ｗ１相、Ｗ２相、Ｗ３相の９相で駆動する。
【０１０４】
本実施形態の同期電動機の平面図は、第１の実施形態と共通の図１で示される。
図１５は、同期電動機の詳細図である。
固定子ティース組８ａは、３個の隣接した固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａから構成されている。固定子ティース６１ａの左隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８１ａｂが−方向に巻回され、右隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８１ａｃが＋方向に巻回されている。固定子巻線８１ａｂと固定子巻線８１ａｃとは、直列に結線されて、Ｕ１相の電流が流されるＵ１相巻線８１ａを構成する。また、固定子ティース６２ａの左隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８２ａｂが−方向に巻回され、右隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８２ａｃが＋方向巻回されている。固定子巻線８２ａｂと固定子巻線８２ａｃとは、直列に結線されて、Ｕ２相の電流が流されるＵ２相巻線８２ａを構成する。また、固定子ティース６３ａの左隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８３ａｂが−方向に巻回され、右隣の固定子ヨーク部分には、固定子巻線８３ａｃが＋方向に巻回されている。固定子巻線８３ａｂと固定子巻線８３ａｃとは、直列に結線されて、Ｕ３相の電流が流されるＵ３相巻線８３ａを構成する。
【０１０５】
ここで、固定子ティース６２ａに対して、固定子ティース６１ａは、機械角で＋２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアン（機械角１８°）からさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。また、同様に固定子ティース６２ａに対して、固定子ティース６３ａは、機械角で−２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアンからさらに−π／９ラジアンずれて配置されている。ここで、固定子ティースは、周方向に等間隔で３６０／１８＝２０°の間隔で並べられている。一方、回転子の磁極は周方向に等間隔で２０個並べられており、３６０／２０＝１８°の間隔となる。図１に示した他の２組の固定子ティース組８ｂ、８ｃも上記固定子ティース組８ａ同様に、固定子ティース組内において、３個の巻線が磁極間隔である電気角πラジアンから電気角で＋π／９ラジアンと−π／９ラジアンずれて配置されている。
【０１０６】
図１６は、図１に示した同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。
図示した巻線端子番号末尾のａ、ｂ、ｃは、それぞれ固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃを構成する巻線に対応している。
【０１０７】
固定子ティース組８ａ内の３個の固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａのそれぞれの巻線端子３１ａ、３２ａ、３３ａは、個別に外部に出されていて、駆動装置であるインバータの接続端子に個別に接続されている。固定子ティース組８ｂ内の３個の巻線端子３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、および、固定子ティース組８ｃの３個の巻線端子３１ｃ、３２ｃ、３３ｃも同様に、個別に外部に出されていて、駆動装置であるインバータの接続端子に個別に接続されている。
【０１０８】
また、異なる固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃで位相差が２π／３ラジアンとなる固定子巻線の端子は共通に中性点に接続されている。すなわち巻線端子３４ａと巻線端子３４ｂと巻線端子３４ｃは第１の中性点に接続され、巻線端子３５ａと巻線端子３５ｂと巻線端子３５ｃは第２の中性点に接続され、巻線端子３６ａと巻線端子３６ｂと巻線端子３６ｃは第３の中性点に接続されている。この例では第１，第２および第３の中性点を電気的に分離させているが、このうちのいずれか２つの中性点あるいは全ての中性点を電気的に接続することとしてもよい。
【０１０９】
また、本実施形態では固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃが２組ずつあり、末尾のａ、ｂ、ｃが同じ固定子ティース組どうしは回転子の磁極に対して電気角で同じ位置関係にある。そのため６組の固定子ティース組のうち隣接した３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよいし、一つ置きの３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよい、また、６組の全ての固定子ティース組で中性点接続を構成してもよい。
【０１１０】
以上、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の構成について説明した。１８個の固定子ティースは、回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組を構成している。また各固定子ティース組内の３個の固定子巻線は、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されている。
【０１１１】
ここで「個別」とは、ひとつの固定子ティース組に含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものであり、異なる固定子ティース組にそれぞれ含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものではない。従って、異なる固定子ティース組に含まれる固定子巻線どうしは、条件が許せば共通に接続される場合もある。例えば、固定子ティース組８ａに含まれている固定子巻線８１ａと固定子ティース組８ａ’に含まれている固定子巻線８１ａ’には同じ位相の電流が供給されるため、これらを共通の外部端子に接続することとしてもよい。もちろん個別に外部端子に接続することとしても何ら問題はない。
【０１１２】
本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムは、上記同期電動機の複数の巻線端子に互いに位相の異なる電流を供給する駆動装置を備えている。次に、駆動装置および通電方法に関して説明する。
【０１１３】
図１７は、本発明の第１の実施形態の固定子と回転子の位置関係を示し、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）は回転子２が反時計方向に各々機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転したときの固定子および回転子の位置関係を示している。また、図１８は、本実施形態において各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図である。図１８中の（ａ）（ｂ）（ｃ）で示される時間は、それぞれ図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）に示される位置関係に対応している。
【０１１４】
図１、図１７に、回転子の磁極間を１０、１１で示した。回転子の磁極間１０、１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を１０、反時計方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を１１と示している。なお、磁極間１１’は、磁極間１１に対して電気角では同じ位置であるが機械角では異なる位置にある。
【０１１５】
図１７（ａ）では、一点鎖線で示したように、固定子ティース６３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにＵ３相巻線８３ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。なお図１５で説明したように隣接する磁極どうしのなす角度（１８°）と隣接する固定子ティースどうしのなす角度（２０°）が異なるため、固定子ティース６３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向していれば、固定子ティース６２ａの中心および回転子磁極間１０、ならびに固定子ティース６１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向することになる。
【０１１６】
図１７（ｂ）では、図１７（ａ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース６２ａの中心と回転子磁極間１０とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにＵ２相巻線８２ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース６３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース６１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向している。
【０１１７】
図１７（ｃ）では、図１７（ｂ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース６１ａの中心と回転子磁極間１１’とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにＵ１相巻線８１ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース６３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース６２ａの中心および回転子磁極間１０はずれた位置関係で対向している。
【０１１８】
図１７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した位置関係となる各時間に、すなわち、固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａの固定子ティース中心が回転子磁極間と対向している各時間に、Ｕ１相巻線８１ａ、Ｕ２相巻線８２ａ、Ｕ３相巻線８３ａに流れる電流がそれぞれ最大になるように位相を調整して電流を供給する。そうすると固定子ティース毎にマグネットトルクを最大とすることができ、全体として高トルク化を図ることができる。
【０１１９】
図１８では、巻線端子３１ａ、３２ａ、３３ａに流した電流（Ｕ１相巻線８１ａ、Ｕ２相巻線８２ａ、Ｕ３相巻線８３ａに流した電流）が縦軸に、時間が横軸に示されている。図１８に示すように、巻線端子３２ａに流す電流に対して巻線端子３３ａに流す電流はπ／９ラジアン進めてあり、巻線端子３２ａに流す電流に対して巻線端子３１ａに流す電流はπ／９ラジアン遅らせてある。
【０１２０】
各固定子巻線の配置関係と各固定子巻線に流す電流とは以下の関係がある。
Ｕ２相巻線８２ａに対してＵ３相巻線８３ａは、電気角でπラジアンからさらに−π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、Ｕ２相巻線８２ａに流す電流に対してＵ３相巻線８３ａに流す電流は、π／９ラジアン進めることとする。一方、Ｕ２相巻線８２ａに対してＵ１相巻線８１ａは、電気角でπラジアンからさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、Ｕ２相巻線８２ａに流す電流に対してＵ１相巻線８１ａに流す電流は、π／９ラジアン遅らせることとする。
【０１２１】
図１９は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。
同期電動機駆動システムは、駆動装置としての直流電源１００およびインバータ１０１、１０２、１０３と、同期電動機１とから構成されている。インバータ１０１、１０２、１０３は、それぞれ三相交流を生成して同期電動機１に供給する。インバータ１０１の出力電流１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはそれぞれ２π／３ラジアンずつ位相がずれている。インバータ１０２の出力電流１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃについても同様であり、インバータ１０３の出力電流１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃについても同様である。また出力電流１０１ａ、１０２ａ、１０３ａはそれぞれπ／９ラジアンずつ位相がずれている。出力電流１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂについても同様であり、出力電流１０１ｃ、１０２ｃ、１０３ｃについても同様である。
【０１２２】
図１５で示したように、固定子ティースは電気角でπ／９ラジアンずれて配置されているので、これらの固定子ティースに巻回された固定子巻線に流す電流をπ／９ラジアンずらすこととしている。すなわち図１７（ａ）の位置関係では、Ｕ３相巻線８３ａに流れる電流が最大になるように位相を調整し、図１７（ｂ）の位置関係では、Ｕ２相巻線８２ａに流れる電流が最大になるように位相を調整し、図１７（ｃ）の位置関係では、Ｕ１相巻線８１ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給している。そうするとそれぞれの固定子ティースが生じさせるマグネットトルクがそれぞれ最大となり、全体として高トルク化を実現することができる。
【０１２３】
以上説明したとおり、本実施形態の同期電動機では、回転子磁極の間隔が機械角１８°（電気角πラジアン）であるのに対し、固定子ティース組内の３個の固定子ティースの間隔は機械角１８°度からずれた機械角２０°としている。このように機械的な位相差をもたせることにより、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。
【０１２４】
また本実施形態の同期電動機では、固定子ティース組内の固定子ティースは電気角πラジアンに対して各々π／９ラジアンの位相差をもつ配置となっており、各固定子ティースに巻回された固定子巻線にはπ／９ラジアンの位相差を持たせた電流を流している。そのため、各々の固定子ティースにより発生するトルクを同じにすることができるのでπ／３ラジアンを基本周期とするトルク脈動を打ち消すことができ、かつ、各々の固定子ティースにより発生するトルクを最大にすることができるので全体のトルクを高めることができる。
【０１２５】
なお、図１７、図１８では永久磁石による発生するマグネットトルクのみを考慮していたので、固定子ティースの中心と回転子磁極間とが一致して対向した位置関係において固定子巻線に流れる電流が最大となるように電流の位相を調整している。しかしながら本実施形態の同期電動機は、回転子コア内部に永久磁石を配置した、いわゆる磁石埋込み型同期電動機であり、磁石によるマグネットトルクに加えて、磁気抵抗の差によるリラクタンストルクを利用することができる同期電動機である。そのためマグネットトルクとリラクタンストルクの両者を生かして最大トルクを得るために、固定子ティースの中心と回転子磁極間とが一致して対向する位置で最大電流となる位相よりも電流位相を進めることが有効な場合もある。
【０１２６】
また、本実施形態では、固定子ヨーク部分に固定子巻線を巻回するのに集中巻を採用している。そのため固定子の端面の巻線いわゆるコイルエンドの小型化がはかれ、同期電動機の小型化ができる。また、固定子巻線のコイルエンドは、電流を流してもトルクに寄与しない部分であり、通電時の巻線抵抗によるジュール損である銅損を低下することができ高効率である。
【０１２７】
また、本実施形態では、回転子が固定子の外周側に配置された、いわゆるアウターロータ型を採用している。そのため同じ体積で比較した場合、回転子が固定子の内周側に配置されたインナーロータ型に比べて、回転子径を大きくすることができる。したがって本実施形態のような極数が２０となるような同期電動機でも、永久磁石の大きさを小さくする必要がないので有効磁束の低下を防ぐことができる。
【０１２８】
また、本実施形態では、回転子磁極の数が２０個、固定子ティースの数が１８個の同期電動機であるが、固定子ティースが９個や２７個といった９の倍数に対して、回転子の磁極数が１０の倍数の組み合わせ、すなわち１０ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）の組み合わせであれば、電気角で上記の関係が成立する配置関係とすることで、同様の効果が得られる。また、８ｑ極９ｑティース（ｑは正の整数）や１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）でも同様の効果を得られる構成とすることができる。
【０１２９】
また、本実施形態では、中性点接続された固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃと、固定子ティース組８ａ’、８ｂ’、８ｃ’のグループが２個、軸に対して対称な配置となるので、固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。したがって、軸受寿命に悪影響を与えることがなくなり、長寿命の同期電動機が得られる。同様に３０極２７ティースでは、中性点接続された固定子ティース組が３個軸に対して機械角で１２０°ごとの配置となるため、巻線に通電した固定子ティースによるラジアル方向の合成吸引力が０となり、回転子に磁気吸引力が作用しない。
【０１３０】
以上、本実施形態によれば、トルクの減少を抑えつつトルク脈動も低減することができ、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期電動機駆動システムを提供することができる。
【０１３１】
６．変形例その他
（１）上記実施形態では、１０ｑ極９ｑティースの構成を挙げているが、本発明はこれに限らない磁極とティース数の組み合わせが可能である。例えば、８ｑ極９ｑティース、１０ｑ極１２ｑティース（ｑは正の整数）、１６ｑ極１５ｑティースの構成でも構わない。
なお、各固定子ヨーク部分に巻回されている第１巻線および第２巻線の比率は、基準の固定子ティースからみたときの位相差を打ち消すように設定されている。そうすることで固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
（２）なお、各固定子ヨーク部分に巻回されている第１の巻線および第２の巻線の比率は、隣接する固定子ティースの位相差を打ち消すように設定されている。そうすることで固定子ティースの軸と回転子の磁極間とが一致したときに、その固定子ティースに生じる磁界が最大となるので、各固定子ティースが生み出すマグネットトルクを最大とすることができ、全体のトルクを向上させることができる。また、各固定子ティースから生み出されるトルクがほぼ一定となるので、トルク脈動を低減させることができる。
（３）実施形態では３相駆動の同期電動機を例示しているが、本発明は、例えば５相や７相など多相駆動と等価の同期電動機にも適用可能である。
（４）実施形態では固定子巻線は固定子ヨーク部分に巻回されているが、固定子ティースに巻回した巻線と組み合わせることも可能である。
（５）実施形態では特に説明していないが、固定子巻線が回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子巻線の配置間隔だけずれていくスキュー配置を施すこととしてもよい。
（６）実施形態では、回転子が固定子の外側に配置されたアウターロータ型の同期電動機で説明しているが、回転子を固定子の内側に配置したインナーロータ型の同期電動機や、回転子と固定子とが軸方向に空隙を持って配置された、いわゆる面対向のアキシャルギャップ式同期電動機や、それらを複数組み合わせた構造の同期電動機でも同じ効果があることは言うまでもない。
（７）実施形態では、回転子の磁極を永久磁石により構成したが、磁気抵抗の差で構成したリラクタンストルクを利用した同期電動機、回転子に両者を組み合わせた同期電動機でも適用可能である。
（８）本発明は、同期回転機に限らず、同期発電機、また、直動駆動されるリニア同期電動機、リニア同期発電機にも適用できる。
（９）本発明は、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期電動機を提供することができ、低振動、低騒音性が要求される自動車用途に特に有用である。また、この同期電動機は、径が大きく薄型であるためインホイールモータとして特に有用である。
（１０）上記実施の形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。例えば、第３の実施形態として説明した図７に示す巻線を、第２の実施形態として説明した図５に示す固定子２３の巻線として用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本発明は、小型高効率で低振動低騒音性が要求される、コンプレッサ用、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の同期電動機に利用可能である。
【符号の説明】
【０１３３】
１  同期電動機
２  回転子
３  固定子
４  回転子コア
５  永久磁石
７  固定子ティース
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ａ’、８ｂ’、８ｃ’  固定子ティース組
１０、１１、１１’  磁極間
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、
前記複数の固定子ティースは、それぞれ周方向に並ぶ所定個数の固定子ティース単位で、複数の固定子ティース組を構成し、当該複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、
前記所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、
前記所定個数の固定子ティースのそれぞれにおいて、固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する少なくとも一方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に、ひとつの相の巻線を構成するメイン巻線がそれぞれ巻回されており、
前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつにおいて、前記固定子ヨーク部分に、前記メイン巻線に加えて、前記相とは異なる相の巻線を構成するサブ巻線がさらに巻回されており、
前記サブ巻線は、当該サブ巻線を含む前記固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる他のメイン巻線に直列に結線されており、
各巻線に加えられた交流電流によって各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとのタイミングずれを補償する巻数及び向きで巻回されている
ことを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
前記固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組は、当該固定子ティース組に隣接する固定子ティース組であること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項３】
各固定子ティース組において、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくとも二つには、これらに対応づけてサブ巻線が巻回されており、
前記ひとつの相の巻線は、固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するメイン巻線全てと、当該固定子ティース組からみて電気角で進んだ位置にある固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するサブ巻線と、前記固定子ティース組からみて電気角で遅れた位置にある固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するサブ巻線とを直列に結線して構成されていること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項４】
各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの第１の固定子ティースに対応づけてメイン巻線のみが巻回され、これに隣接する第２の固定子ティースに対応づけてメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
前記第１の固定子ティースと前記回転子の磁極とが所定の位置関係になったときに当該第１の固定子ティースから生じる磁界が最大となり、前記回転子が回転して前記第２の固定子ティースと前記回転子の磁極とが前記所定の位置関係と同一の位置関係になったときに当該第２の固定子ティースから生じる磁界が最大となるように、前記第２の固定子ティースに対応づけて巻回されているメイン巻線およびサブ巻線の巻線比率が定められていること
を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項５】
各固定子ティース組において、前記第１の固定子ティースに生じる磁界の最大値と前記第２の固定子ティースに生じる磁界の最大値とが同じになるように、前記第１の固定子ティースに対応づけられているメイン巻線および前記第２の固定子ティースに対応づけられているメイン巻線及びサブ巻線のそれぞれの巻数が定められていること
を特徴とする請求項４に記載の同期電動機。
【請求項６】
磁極の数をＡ（但し、Ａは２以上の偶数）、固定子ティースの数をＢ（但し、ＢはＡと等しくない３の倍数）とし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐとなり、
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを定義し、
同相の巻線が、隣接する６個の固定子ヨーク部分それぞれに１個づつ巻回され、前記６個の巻線が直列に接続されており、その巻線の巻数の比率を順に＋Ｎ１、−Ｎ２、＋Ｎ３、−Ｎ３、＋Ｎ２、−Ｎ１としたとき（但し、＋Ｎｎ（ｎは１、２、３のいずれか）と、−Ｎｎとは、巻数が同じで巻回する向きが逆である）、
Ｎ１は、ｓｉｎ（α）にほぼ等しく、
Ｎ２は、ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（π／３−α）にほぼ等しく、
Ｎ３は、ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）にほぼ等しいこと
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項７】
前記回転子は、前記固定子を中心にその外周を回転し、
前記複数の固定子ティースは、前記固定子ヨークの外周面から径方向外側に放射状に突出しており、
前記固定子ヨークからは、さらに、各固定子ティースが突出する径方向の内側に向けて、前記外側に突出する固定子ティースと同数の固定子ティースが前記固定子ヨーク内周面から突出しており、
前記同期電動機は、さらに、前記固定子の内周を回転する回転子を備える
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項８】
前記複数の固定子ティースのうち少なくとも１つは、前記回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子ティースの配置間隔だけずれていくスキュー配置が施されていること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項９】
前記同期電動機は永久磁石埋め込み型であること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項１０】
前記複数の固定子ヨーク部分は、３相のうちの１相の巻線を一芯状に集中巻された第１の固定子ヨーク部分と、３相のうちの２相の巻線を一芯状に集中巻された第２の固定子ヨーク部分とを含み、
第１の固定子ヨーク部分に隣接した第２の固定子ヨーク部分に巻回された複数の巻線のうちいずれか１つの巻線の相は、隣接する第１の固定子ヨーク部分の巻線と同じ相の巻線であること
を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項１１】
磁極の数をＡ、固定子ティースの数をＢとし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティース数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを用いて、
３相のうちいずれか１相の巻線又は３相のうちの２相の巻線を固定子ヨーク部分に一芯状に集中巻し、第１の固定子ヨーク部分の巻線の巻数をＮ１としたとき、第１の固定子ヨーク部分と隣接した第２の固定子ヨーク部分の巻線は、第１の相の巻線の巻数が、
（Ｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）にほぼ等しく、
他の相の巻線の巻数が、
（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）にほぼ等しいこと
を特徴とした請求項１０に記載の同期電動機。
【請求項１２】
第１の固定子ヨーク部分の巻線の巻数と、第２の固定子ヨーク部分における２種類の巻線の巻数の和とが等しいこと
を特徴とする請求項１０記載の同期電動機。
【請求項１３】
磁極の数をＡ、固定子ティースの数をＢとし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを用いて、
３相のうちいずれか２相の巻線を固定子ヨーク部分に一芯状に集中巻し、第１の相の巻線と第２の相の巻線の巻数比率が、
ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）とｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）との比にほぼ等しくなること
を特徴とした請求項１記載の同期電動機。
【請求項１４】
前記サブ巻線は、前記メイン巻線よりも巻数が多い、請求項１記載の同期電動機。
【請求項１５】
同期電動機とその駆動装置により構成される同期電動機駆動システムであって、
前記同期電動機は、
周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、
前記複数の固定子ティースのそれぞれにおいて、固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する一方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に巻回された巻線と、当該固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する他方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に前記巻線の逆方向に巻回された巻線とが直列に結線された固定子巻線をさらに備え、
複数の固定子巻線は、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは２以上の整数）固定子巻線組を構成し、このように構成された複数の固定子巻線組は周方向に等間隔に並んでおり、
各固定子巻線組において、固定子巻線組に含まれる複数の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のうち１つの固定子巻線を構成する巻線が巻回された前記固定子ヨーク部分の少なくとも一方に、前記１つの固定子巻線に隣り合う固定子巻線を構成する巻線がさらに巻回されており、
前記駆動装置は、
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のそれぞれに、各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとのタイミングずれを補償する互いに異なる位相の電流を供給すること
を特徴とする同期電動機駆動システム。
【請求項１６】
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のそれぞれは、その一端はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続され、他端は当該固定子巻線を含む固定子巻線組とは異なる固定子巻き線組に含まれる他の固定子巻線に接続されている、
請求項１５に記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１７】
前記複数の固定子巻線組は、隣り合う固定子巻線組の間隔が電気角で２π／３ラジアンに相当する間隔となるように並んでおり、
前記他端は当該固定子巻線と電気角が２π／３ラジアンだけ異なる位置の他の固定子巻線に接続されており、
前記駆動装置は、
任意の固定子巻線組に含まれる任意の固定子巻線と、前記任意の固定子巻線組に隣り合う固定子巻線組に含まれる前記任意の固定子巻線に対応する固定子巻線とに、互いに２π／３ラジアンだけ異なる位相の電流を供給すること
を特徴とする請求項１６記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１８】
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線は、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには互いに逆極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、±２π／３ｍラジアンの範囲内で互いに位相が異なる電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１９】
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線は、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには同極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、π±２π／３ｍラジアンの範囲内で互いに位相が異なる電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２０】
各固定子巻線組は、第１、第２および第３の固定子巻線から構成され、
前記第１の固定子巻線は、前記第２の固定子巻線からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも進んだ位置に配され、
前記第３の固定子巻線は、前記第２の固定子巻線からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも遅れた位置に配されており、
前記第１、第２および第３の固定子巻線は、それぞれ独立した個別の外部端子に接続され、かつ、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには隣り合う固定子巻線が互いに逆極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記第１の固定子巻線に前記第２の固定子巻線に供給する電流よりも位相が遅れた電流を供給し、前記第３の固定子巻線に前記第２の固定子巻線に供給する電流よりも位相が進んだ電流を供給すること
を特徴とする請求項１４記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２１】
前記第１の固定子巻線が配された位置は、前記第２の固定子巻線が配された位置からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも最大でπ／３ｍラジアンだけ進んでおり、
前記第３の固定子巻線が配された位置は、前記第２の固定子巻線が配された位置からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも最大でπ／３ｍラジアンだけ遅れており、
前記第１の固定子巻線に供給される電流の位相は、前記第２の固定子巻線に供給される電流の位相よりも最大でπ／３ｍラジアンだけ遅れており、
前記第３の固定子巻線に供給される電流の位相は、前記第２の固定子巻線に供給される電流の位相よりも最大でπ／３ｍラジアンだけ進んでいること
を特徴とする請求項２０記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２２】
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で等間隔に並んでいること
を特徴とする請求項１４記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２３】
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続されていること
を特徴とする請求項１４記載の同期電動機駆動システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011016235.tif 000022
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011016235.tif 000034
【図１４】
2011016235.tif 000035
【図１５】
2011016235.tif 000036
【図１６】
2011016235.tif 000037
【図１７】
2011016235.tif 000038
【図１８】
2011016235.tif 000039
【図１９】
2011016235.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月3日(2011.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、
前記複数の固定子ティースは、それぞれ周方向に並ぶ所定個数の固定子ティース単位で、複数の固定子ティース組を構成し、当該複数の固定子ティース組の周方向の間隔は等しく、
前記所定個数の固定子ティースは、前記回転子の磁極の配置間隔と異なる配置間隔で並設され、
前記所定個数の固定子ティースのそれぞれにおいて、固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する少なくとも一方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に、ひとつの相の巻線を構成するメイン巻線がそれぞれ巻回されており、
前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくともひとつにおいて、前記固定子ヨーク部分に、前記メイン巻線に加えて、前記相とは異なる相の巻線を構成するサブ巻線がさらに巻回されており、
前記サブ巻線は、当該サブ巻線を含む前記固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組に含まれる他のメイン巻線に直列に結線されており、
各巻線に加えられた交流電流によって各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとのタイミングずれを補償する巻数及び向きで巻回されている
ことを特徴とする同期電動機。
【請求項２】
前記固定子ティース組とは電気角で異なる位置にある他の固定子ティース組は、当該固定子ティース組に隣接する固定子ティース組であること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項３】
各固定子ティース組において、前記所定個数の固定子ティースのうちの少なくとも二つには、これらに対応づけてサブ巻線が巻回されており、
前記ひとつの相の巻線は、固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するメイン巻線全てと、当該固定子ティース組からみて電気角で進んだ位置にある固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するサブ巻線と、前記固定子ティース組からみて電気角で遅れた位置にある固定子ティース組に含まれる固定子ティースに対応するサブ巻線とを直列に結線して構成されていること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項４】
各固定子ティース組において、所定個数の固定子ティースのうちの第１の固定子ティースに対応づけてメイン巻線のみが巻回され、これに隣接する第２の固定子ティースに対応づけてメイン巻線およびサブ巻線が巻回されており、
前記第１の固定子ティースと前記回転子の磁極とが所定の位置関係になったときに当該第１の固定子ティースから生じる磁界が最大となり、前記回転子が回転して前記第２の固定子ティースと前記回転子の磁極とが前記所定の位置関係と同一の位置関係になったときに当該第２の固定子ティースから生じる磁界が最大となるように、前記第２の固定子ティースに対応づけて巻回されているメイン巻線およびサブ巻線の巻線比率が定められていること
を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項５】
各固定子ティース組において、前記第１の固定子ティースに生じる磁界の最大値と前記第２の固定子ティースに生じる磁界の最大値とが同じになるように、前記第１の固定子ティースに対応づけられているメイン巻線および前記第２の固定子ティースに対応づけられているメイン巻線及びサブ巻線のそれぞれの巻数が定められていること
を特徴とする請求項４に記載の同期電動機。
【請求項６】
磁極の数をＡ（但し、Ａは２以上の偶数）、固定子ティースの数をＢ（但し、ＢはＡと等しくない３の倍数）とし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐとなり、
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを定義し、
同相の巻線が、隣接する６個の固定子ヨーク部分それぞれに１個づつ巻回され、前記６個の巻線が直列に接続されており、その巻線の巻数の比率を順に＋Ｎ１、−Ｎ２、＋Ｎ３、−Ｎ３、＋Ｎ２、−Ｎ１としたとき（但し、＋Ｎｎ（ｎは１、２、３のいずれか）と、−Ｎｎとは、巻数が同じで巻回する向きが逆である）、
Ｎ１は、ｓｉｎ（α）にほぼ等しく、
Ｎ２は、ｓｉｎ（α）＋ｓｉｎ（π／３−α）にほぼ等しく、
Ｎ３は、ｓｉｎ（π／３）＋ｓｉｎ（π／３−α）にほぼ等しいこと
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項７】
前記回転子は、前記固定子を中心にその外周を回転し、
前記複数の固定子ティースは、前記固定子ヨークの外周面から径方向外側に放射状に突出しており、
前記固定子ヨークからは、さらに、各固定子ティースが突出する径方向の内側に向けて、前記外側に突出する固定子ティースと同数の固定子ティースが前記固定子ヨーク内周面から突出しており、
前記同期電動機は、さらに、前記固定子の内周を回転する回転子を備える
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項８】
前記複数の固定子ティースのうち少なくとも１つは、前記回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子ティースの配置間隔だけずれていくスキュー配置が施されていること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項９】
前記同期電動機は永久磁石埋め込み型であること
を特徴とする請求項１記載の同期電動機。
【請求項１０】
前記複数の固定子ヨーク部分は、３相のうちの１相の巻線を一芯状に集中巻された第１の固定子ヨーク部分と、３相のうちの２相の巻線を一芯状に集中巻された第２の固定子ヨーク部分とを含み、
第１の固定子ヨーク部分に隣接した第２の固定子ヨーク部分に巻回された複数の巻線のうちいずれか１つの巻線の相は、隣接する第１の固定子ヨーク部分の巻線と同じ相の巻線であること
を特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
【請求項１１】
磁極の数をＡ、固定子ティースの数をＢとし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティース数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを用いて、
３相のうちいずれか１相の巻線又は３相のうちの２相の巻線を固定子ヨーク部分に一芯状に集中巻し、第１の固定子ヨーク部分の巻線の巻数をＮ１としたとき、第１の固定子ヨーク部分と隣接した第２の固定子ヨーク部分の巻線は、第１の相の巻線の巻数が、
（Ｎ１）×ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）にほぼ等しく、
他の相の巻線の巻数が、
（Ｎ１）×ｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）にほぼ等しいこと
を特徴とした請求項１０に記載の同期電動機。
【請求項１２】
第１の固定子ヨーク部分の巻線の巻数と、第２の固定子ヨーク部分における２種類の巻線の巻数の和とが等しいこと
を特徴とする請求項１０記載の同期電動機。
【請求項１３】
磁極の数をＡ、固定子ティースの数をＢとし、Ａ／２とした磁極対数をＰ、正の整数ｍを用いて、Ｂ／３とした１相当りの固定子ティースの数をｋとした場合に、
ｋ＝３ｍのとき
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ
ｋ＝３ｍ＋１、またはｋ＝３ｍ＋２のとき、
α＝｜２π／Ａ−２π／Ｂ｜×Ｐ／２となる巻線比係数αを用いて、
３相のうちいずれか２相の巻線を固定子ヨーク部分に一芯状に集中巻し、第１の相の巻線と第２の相の巻線の巻数比率が、
ｓｉｎ（α）／ｓｉｎ（π／３）とｓｉｎ（π／３−α）／ｓｉｎ（π／３）との比にほぼ等しくなること
を特徴とした請求項１記載の同期電動機。
【請求項１４】
前記サブ巻線は、前記メイン巻線よりも巻数が多い、請求項１記載の同期電動機。
【請求項１５】
同期電動機とその駆動装置により構成される同期電動機駆動システムであって、
前記同期電動機は、
周方向に等間隔に並設された複数の磁極を含む回転子と、
周方向に並設された前記磁極の数とは異なる複数の固定子ティースが環状の固定子ヨークから径方向に突出した固定子とを備え、
前記複数の固定子ティースのそれぞれにおいて、固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する一方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に巻回された巻線と、当該固定子ティースと当該固定子ティースに隣接する他方の固定子ティースとに挟まれた固定子ヨーク部分に前記巻線の逆方向に巻回された巻線とが直列に結線された固定子巻線をさらに備え、
複数の固定子巻線は、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは２以上の整数）固定子巻線組を構成し、このように構成された複数の固定子巻線組は周方向に等間隔に並んでおり、
各固定子巻線組において、固定子巻線組に含まれる複数の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のうち１つの固定子巻線を構成する巻線が巻回された前記固定子ヨーク部分の少なくとも一方に、前記１つの固定子巻線に隣り合う固定子巻線を構成する巻線がさらに巻回されており、
前記駆動装置は、
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のそれぞれに、各固定子ティースに生じる磁界が最大となるタイミングと、前記回転子の回転において磁極間が当該固定子ティースを通過するタイミングとのタイミングずれを補償する互いに異なる位相の電流を供給すること
を特徴とする同期電動機駆動システム。
【請求項１６】
前記少なくとも一対の隣り合う固定子巻線のそれぞれは、その一端はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続され、他端は当該固定子巻線を含む固定子巻線組とは異なる固定子巻き線組に含まれる他の固定子巻線に接続されている、
請求項１５に記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１７】
前記複数の固定子巻線組は、隣り合う固定子巻線組の間隔が電気角で２π／３ラジアンに相当する間隔となるように並んでおり、
前記他端は当該固定子巻線と電気角が２π／３ラジアンだけ異なる位置の他の固定子巻線に接続されており、
前記駆動装置は、
任意の固定子巻線組に含まれる任意の固定子巻線と、前記任意の固定子巻線組に隣り合う固定子巻線組に含まれる前記任意の固定子巻線に対応する固定子巻線とに、互いに２π／３ラジアンだけ異なる位相の電流を供給すること
を特徴とする請求項１６記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１８】
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線は、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには互いに逆極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、±２π／３ｍラジアンの範囲内で互いに位相が異なる電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項１９】
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線は、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには同極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記一対の隣り合う固定子巻線に、π±２π／３ｍラジアンの範囲内で互いに位相が異なる電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２０】
各固定子巻線組は、第１、第２および第３の固定子巻線から構成され、
前記第１の固定子巻線は、前記第２の固定子巻線からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも進んだ位置に配され、
前記第３の固定子巻線は、前記第２の固定子巻線からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも遅れた位置に配されており、
前記第１、第２および第３の固定子巻線は、それぞれ独立した個別の外部端子に接続され、かつ、個別に接続された外部端子に同位相の電流が供給されたときには隣り合う固定子巻線が互いに逆極性の磁場を発生させる特性を有し、
前記駆動装置は、
各固定子巻線組における前記第１の固定子巻線に前記第２の固定子巻線に供給する電流よりも位相が遅れた電流を供給し、前記第３の固定子巻線に前記第２の固定子巻線に供給する電流よりも位相が進んだ電流を供給すること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２１】
前記第１の固定子巻線が配された位置は、前記第２の固定子巻線が配された位置からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも最大でπ／３ｍラジアンだけ進んでおり、
前記第３の固定子巻線が配された位置は、前記第２の固定子巻線が配された位置からみて回転方向に電気角でπラジアンよりも最大でπ／３ｍラジアンだけ遅れており、
前記第１の固定子巻線に供給される電流の位相は、前記第２の固定子巻線に供給される電流の位相よりも最大でπ／３ｍラジアンだけ遅れており、
前記第３の固定子巻線に供給される電流の位相は、前記第２の固定子巻線に供給される電流の位相よりも最大でπ／３ｍラジアンだけ進んでいること
を特徴とする請求項２０記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２２】
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で等間隔に並んでいること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【請求項２３】
各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線はそれぞれ独立した外部端子に個別に接続されていること
を特徴とする請求項１５記載の同期電動機駆動システム。
【国際調査報告】
2011016235.tif 000041
2011016235.tif 000042
2011016235.tif 000043